Страница 142 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. В двух закрытых склянках одинакового объёма находятся вода и концентрированная серная кислота. Как определить содержимое каждой склянки, не открывая их?

Определить, в какой из двух закрытых склянок находится вода, а в какой — концентрированная серная кислота, можно, не открывая их, используя различия в физических свойствах этих жидкостей. Существует два основных способа.

Первый способ основан на различии в плотности. Плотность концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) составляет около $1,84 \text{ г/см}^3$, в то время как плотность воды ($H_2O$) — примерно $1 \text{ г/см}^3$. Поскольку по условию склянки имеют одинаковый объём, то при одинаковом уровне наполнения склянка с серной кислотой будет значительно тяжелее. Масса жидкости вычисляется по формуле $m = \rho \cdot V$, где $\rho$ — плотность, а $V$ — объём. Чтобы определить, где какая жидкость, достаточно взвесить обе склянки. Та, что тяжелее, содержит серную кислоту. Разница в весе будет ощутима даже если просто подержать склянки в руках.

Второй способ основан на различии в вязкости. Концентрированная серная кислота — это вязкая, маслянистая жидкость. Вода, напротив, очень текучая и обладает низкой вязкостью. Если аккуратно наклонить обе склянки, можно заметить, что вода будет перетекать быстро и легко, в то время как серная кислота будет течь медленно, как бы "обволакивая" стенки сосуда. После возвращения склянки в исходное положение плёнка серной кислоты будет стекать со стенок заметно дольше, чем плёнка воды.

Ответ: Чтобы определить содержимое, нужно сравнить вес склянок (более тяжелая содержит серную кислоту) или их вязкость путем наклона (серная кислота будет перетекать медленнее воды).

2. Неизвестная жидкость смешивается с водой. Её водный раствор окрашивает лакмус в красный цвет и даёт белый осадок с нитратом бария. Назовите неизвестную жидкость.

Решение

Для определения неизвестной жидкости проанализируем последовательно все данные из условия задачи.

1. Утверждение, что «неизвестная жидкость смешивается с водой», говорит нам о том, что это вещество растворимо в воде.

2. Фраза «Её водный раствор окрашивает лакмус в красный цвет» является ключевым указанием на химические свойства раствора. Лакмус — это кислотно-основный индикатор, который становится красным в кислой среде. Следовательно, неизвестная жидкость является кислотой или образует кислоту при растворении в воде.

3. Информация о том, что раствор «даёт белый осадок с нитратом бария ($Ba(NO_3)_2$)», позволяет определить анион кислоты. Реакция с нитратом бария — это качественная реакция на некоторые ионы, в частности, на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). При взаимодействии ионов бария ($Ba^{2+}$) и сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) образуется нерастворимое в воде и кислотах вещество белого цвета — сульфат бария ($BaSO_4$).

Исходя из того, что вещество является кислотой и содержит сульфат-ион, можно сделать вывод, что это серная кислота ($H_2SO_4$).

Проверим соответствие серной кислоты всем условиям:

• Серная кислота — это жидкость (тяжёлая, маслянистая).
• Она хорошо смешивается с водой в любых соотношениях.
• Будучи сильной кислотой, она создаёт в водном растворе кислую среду, окрашивая лакмус в красный цвет.
• Вступает в реакцию с нитратом бария, образуя белый осадок сульфата бария по уравнению: $H_2SO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HNO_3$

Все признаки указывают на то, что неизвестная жидкость — это серная кислота.

Ответ: Неизвестная жидкость — серная кислота ($H_2SO_4$).

3. Для производства сульфата свинца(II) используются нитрат свинца(II) и серная кислота. Напишите уравнение реакции производства сульфата свинца и объясните, почему она идёт до конца.

Решение

Для получения сульфата свинца(II) проводят реакцию ионного обмена между растворимой солью свинца, нитратом свинца(II) ($Pb(NO_3)_2$), и серной кислотой ($H_2SO_4$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$Pb(NO_3)_2 + H_2SO_4 \rightarrow PbSO_4 \downarrow + 2HNO_3$

Эта реакция идёт до конца, то есть является практически необратимой. Согласно правилам протекания реакций ионного обмена, реакция считается необратимой, если в результате неё образуется:

• осадок (нерастворимое вещество);
• газ;
• слабый электролит (например, вода).

В данном случае одним из продуктов реакции является сульфат свинца(II) ($PbSO_4$). Если обратиться к таблице растворимости солей, кислот и оснований в воде, можно увидеть, что сульфат свинца(II) — это нерастворимое вещество. Он выпадает в виде белого твёрдого осадка.

Образование осадка выводит ионы свинца ($Pb^{2+}$) и сульфат-ионы ($SO_4^{2-}$) из раствора, связывая их в твёрдую фазу. Это смещает химическое равновесие реакции вправо, в сторону образования продуктов (согласно принципу Ле Шателье), и не позволяет реакции протекать в обратном направлении. Таким образом, реакция идёт до полного расходования одного из реагентов.

Ответ: Уравнение реакции: $Pb(NO_3)_2 + H_2SO_4 \rightarrow PbSO_4 \downarrow + 2HNO_3$. Реакция идёт до конца, так как в результате образуется нерастворимое в воде вещество — сульфат свинца(II) ($PbSO_4$), которое выпадает в осадок.

4. Какова массовая доля воды в медном купоросе?

Для того чтобы найти массовую долю воды в медном купоросе, необходимо знать его химическую формулу. Медный купорос — это тривиальное название пентагидрата сульфата меди(II).

Дано:

Соединение: медный купорос, $CuSO_4 \cdot 5H_2O$.

Относительные атомные массы элементов (округлённые):

$Ar(Cu) = 64$

$Ar(S) = 32$

$Ar(O) = 16$

$Ar(H) = 1$

Найти:

Массовую долю воды $ \omega(H_2O) $ — ?

Решение:

Массовая доля компонента в соединении определяется как отношение массы этого компонента к массе всего соединения. Для расчёта будем использовать относительные молекулярные массы.

Формула для расчёта массовой доли:

$ \omega(H_2O) = \frac{5 \cdot M_r(H_2O)}{M_r(CuSO_4 \cdot 5H_2O)} $

1. Рассчитаем относительную молекулярную массу воды ($H_2O$):

$ M_r(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 $.

2. В одной формульной единице медного купороса содержится 5 молекул кристаллизационной воды. Их суммарная относительная масса составляет:

$ 5 \cdot M_r(H_2O) = 5 \cdot 18 = 90 $.

3. Рассчитаем относительную молекулярную массу всего медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$):

$ M_r(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = M_r(CuSO_4) + 5 \cdot M_r(H_2O) $

$ M_r(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = (Ar(Cu) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O)) + 5 \cdot M_r(H_2O) $

$ M_r(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = (64 + 32 + 4 \cdot 16) + 90 = (64 + 32 + 64) + 90 = 160 + 90 = 250 $.

4. Подставим найденные значения в формулу для расчёта массовой доли:

$ \omega(H_2O) = \frac{90}{250} = 0.36 $

Чтобы выразить результат в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$ \omega(H_2O) = 0.36 \cdot 100\% = 36\% $

Ответ: массовая доля воды в медном купоросе составляет 36%.

5. Напишите уравнения реакций взаимодействия цинка с разбавленной и концентрированной серной кислотой.

Взаимодействие цинка с серной кислотой протекает по-разному в зависимости от концентрации кислоты.

Взаимодействие цинка с разбавленной серной кислотой

Цинк (Zn) является металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений металлов до водорода. Это означает, что он способен вытеснять водород из разбавленных кислот-неокислителей, к которым относится разбавленная серная кислота. Происходит реакция замещения, в результате которой образуется соль (сульфат цинка) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Эта реакция является окислительно-восстановительной. Цинк отдает электроны (окисляется), а ионы водорода принимают электроны (восстанавливаются):

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ (процесс окисления)

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ (процесс восстановления)

Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Zn + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Ответ: $Zn + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Взаимодействие цинка с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем за счет серы в степени окисления +6. При реакции с металлами (в том числе и с цинком) водород не выделяется. Вместо этого происходит восстановление серы. Продукт восстановления серы зависит от условий реакции (концентрации кислоты, температуры) и активности металла-восстановителя.

Для цинка, как металла средней активности, возможны несколько вариантов восстановления серы. Чаще всего образуется диоксид серы ($SO_2$), но также могут образоваться элементарная сера ($S$) или сероводород ($H_2S$).

1. Восстановление до диоксида серы ($SO_2$). Это наиболее типичный ход реакции.

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2} \quad | \cdot 1$

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4} \quad | \cdot 1$

Итоговое уравнение:

$Zn + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow ZnSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Восстановление до элементарной серы ($S$).

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2} \quad | \cdot 3$

$S^{+6} + 6e^- \rightarrow S^0 \quad | \cdot 1$

Итоговое уравнение:

$3Zn + 4H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow 3ZnSO_4 + S \downarrow + 4H_2O$

3. Восстановление до сероводорода ($H_2S$).

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2} \quad | \cdot 4$

$S^{+6} + 8e^- \rightarrow S^{-2} \quad | \cdot 1$

Итоговое уравнение:

$4Zn + 5H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S \uparrow + 4H_2O$

Ответ: В зависимости от условий, реакция цинка с концентрированной серной кислотой может приводить к разным продуктам восстановления серы. Ниже приведены возможные уравнения реакций:

$Zn + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow ZnSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$ (наиболее вероятный продукт)

$3Zn + 4H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow 3ZnSO_4 + S \downarrow + 4H_2O$

$4Zn + 5H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S \uparrow + 4H_2O$

6. Сернистый газ можно получить взаимодействием концентрированной серной кислоты с ртутью. Напишите уравнение реакции, зная, что ртуть в образующейся соли двухвалентна.

Решение

Взаимодействие ртути с концентрированной серной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией. Ртуть ($Hg$) является металлом, стоящим в ряду активности после водорода, поэтому она не реагирует с разбавленными кислотами. Однако концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является сильным окислителем за счет серы в высшей степени окисления $+6$ и способна окислять малоактивные металлы, такие как ртуть.

В ходе реакции образуются:

• Сернистый газ (диоксид серы, $SO_2$) — продукт восстановления серы.
• Соль, в которой ртуть, согласно условию, двухвалентна ($Hg^{2+}$). Сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) имеет заряд -2, поэтому формула соли — сульфат ртути(II), $HgSO_4$.
• Вода ($H_2O$).

Запишем схему реакции:

$Hg + H_2SO_4 \text{(конц.)} \rightarrow HgSO_4 + SO_2 + H_2O$

Для расстановки коэффициентов используем метод электронного баланса. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$ \stackrel{0}{Hg} + H_2\stackrel{+6}{S}O_4 \rightarrow \stackrel{+2}{Hg}\stackrel{+6}{S}O_4 + \stackrel{+4}{S}O_2 + H_2O $

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Hg^0 - 2e^- \rightarrow Hg^{+2}$ | 1 (процесс окисления, $Hg$ — восстановитель)

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 (процесс восстановления, $H_2SO_4$ — окислитель)

Количество отданных электронов равно количеству принятых, поэтому стехиометрические коэффициенты перед соединениями, содержащими $Hg^0$ и $S^{+4}$, равны 1.

$1 \cdot Hg + H_2SO_4 \rightarrow 1 \cdot HgSO_4 + 1 \cdot SO_2 + H_2O$

Теперь уравняем количество атомов серы. В правой части уравнения находится 1 атом серы в сульфате ртути ($HgSO_4$) и 1 атом серы в диоксиде серы ($SO_2$), всего 2 атома. Следовательно, в левой части перед $H_2SO_4$ необходимо поставить коэффициент 2.

$Hg + 2H_2SO_4 \rightarrow HgSO_4 + SO_2 + H_2O$

Далее уравняем атомы водорода. В левой части в $2H_2SO_4$ содержится $2 \times 2 = 4$ атома водорода. Чтобы уравнять их, в правой части перед $H_2O$ нужно поставить коэффициент 2.

$Hg + 2H_2SO_4 \rightarrow HgSO_4 + SO_2 + 2H_2O$

В завершение проведем проверку по атомам кислорода:

• В левой части: $2 \times 4 = 8$ атомов.
• В правой части: $4$ (в $HgSO_4$) $+ 2$ (в $SO_2$) $+ 2 \times 1$ (в $2H_2O$) = $4 + 2 + 2 = 8$ атомов.

Количества всех атомов в левой и правой частях уравнения равны, следовательно, уравнение составлено верно.

Ответ: $Hg + 2H_2SO_4 \text{(конц.)} \rightarrow HgSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

7. Почему серную кислоту иногда называют «хлебом» химической промышленности?

Серную кислоту ($H_2SO_4$) называют «хлебом» химической промышленности из-за ее фундаментальной важности и широчайшего применения в самых разнообразных отраслях. Подобно тому, как хлеб является основным продуктом питания для многих народов, серная кислота служит ключевым сырьем и реагентом для множества химических производств. Объем производства серной кислоты в стране часто рассматривается как один из важнейших показателей уровня ее промышленного развития.

Столь почетное звание серная кислота заслужила по нескольким причинам:

• Производство удобрений: Это крупнейшая сфера применения серной кислоты. Она используется для получения фосфорных удобрений (например, простого и двойного суперфосфата) из природных фосфатов, а также сульфата аммония. Пример реакции получения простого суперфосфата: $Ca_3(PO_4)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2CaSO_4$.
• Синтез других химических веществ: Серная кислота является исходным веществом для производства других кислот (соляной, азотной, фосфорной), различных солей (сульфатов), синтетических моющих средств, лекарственных препаратов, красителей и пигментов (например, диоксида титана $TiO_2$).
• Металлургия: Она применяется для травления металлов – очистки поверхности стальных изделий от окалины и ржавчины перед нанесением покрытий. Также ее используют в гидрометаллургии для извлечения металлов, таких как медь и уран, из руд.
• Нефтепереработка: Используется для очистки нефтепродуктов (бензина, керосина, масел) от вредных сернистых и непредельных соединений.
• Производство взрывчатых веществ и волокон: Серная кислота необходима в производстве многих взрывчатых веществ, а также искусственных волокон, например, вискозного шелка.
• Осушающее средство: Концентрированная серная кислота обладает сильными водоотнимающими свойствами, благодаря чему ее используют для осушения газов и в качестве катализатора в реакциях, где необходимо удаление воды (например, реакции этерификации и нитрования).
• Электролит в аккумуляторах: Она служит электролитом в свинцово-кислотных аккумуляторах, которые широко применяются в автомобилях и других транспортных средствах.

Таким образом, серная кислота вовлечена в производственные цепочки огромного числа товаров, что делает ее абсолютно незаменимым продуктом для современной промышленности, подобно хлебу в повседневной жизни человека.

Ответ: Серную кислоту называют «хлебом» химической промышленности, потому что она является одним из самых массовых и важнейших продуктов химического производства, находящим применение практически во всех отраслях промышленности: от производства минеральных удобрений и металлургии до нефтепереработки и создания новых материалов. По этой причине ее производство и потребление служат важным индикатором промышленного потенциала страны.

8. Какой элемент является окислителем при взаимодействии металла с разбавленной и концентрированной серной кислотой?

Свойства серной кислоты как окислителя зависят от ее концентрации. Поэтому необходимо рассмотреть два случая.

При взаимодействии металла с разбавленной серной кислотой

В разбавленном водном растворе серная кислота диссоциирует на ионы и проявляет свойства, характерные для сильных кислот. В реакциях с металлами, которые стоят в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, окислителем выступает не атом серы, а катион водорода ($H^+$). Металл окисляется, а катионы водорода восстанавливаются до газообразного водорода ($H_2$).

Рассмотрим на примере реакции цинка с разбавленной серной кислотой:

$Zn^0 + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Zn^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + H_2^0 \uparrow$

В этой реакции цинк отдает электроны (окисляется), а водород принимает электроны (восстанавливается):

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$

$2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$

Таким образом, окислителем является элемент водород в степени окисления +1.

Ответ: при взаимодействии металла с разбавленной серной кислотой окислителем является водород ($H^+$).

При взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота является очень сильным окислителем. Окислительные свойства проявляет атом серы в высшей степени окисления +6 ($S^{+6}$). Концентрированная $H_2SO_4$ реагирует с большинством металлов (в том числе и с теми, что стоят в ряду напряжений правее водорода, например, медь, серебро), а также со многими неметаллами. Водород в этих реакциях не выделяется. Продукты восстановления серы зависят от активности металла и условий реакции. Это могут быть $SO_2$ (сера +4), $S$ (сера 0) или $H_2S$ (сера -2).

Рассмотрим на примере реакции меди с концентрированной серной кислотой:

$Cu^0 + 2H_2S^{+6}O_4 \text{(конц.)} \rightarrow Cu^{+2}SO_4 + S^{+4}O_2 \uparrow + 2H_2O$

В этой реакции медь отдает электроны (окисляется), а сера принимает электроны (восстанавливается):

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2}$

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$

Таким образом, окислителем является элемент сера в степени окисления +6.

Ответ: при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой окислителем является сера ($S^{+6}$).