Страница 154 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какую степень окисления имеет азот в азотной кислоте и её солях? О каких свойствах этих соединений это свидетельствует?

Решение

Для определения степени окисления азота в азотной кислоте, химическая формула которой $HNO_3$, воспользуемся правилом, что сумма степеней окисления всех атомов в электронейтральной молекуле равна нулю. Постоянные степени окисления в этом соединении имеют водород ($+1$) и кислород ($-2$). Пусть степень окисления азота (N) будет $x$.

Составим и решим уравнение: $ (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0 $ $ 1 + x - 6 = 0 $ $ x = +5 $

Следовательно, степень окисления азота в азотной кислоте равна $+5$.

Соли азотной кислоты (нитраты) содержат анион $NO_3^-$. В этом ионе сумма степеней окисления всех атомов равна заряду иона, то есть $-1$. $ x + 3 \cdot (-2) = -1 $ $ x - 6 = -1 $ $ x = +5 $

Таким образом, в солях азотной кислоты азот также имеет степень окисления $+5$.

Степень окисления $+5$ является для азота высшей, поскольку азот является элементом 15-й (VА) группы периодической системы и имеет 5 валентных электронов. Находясь в своей высшей степени окисления, атом азота не может отдавать электроны (окисляться), а может их только принимать, понижая свою степень окисления (восстанавливаться). Вещества, атомы которых принимают электроны, являются окислителями.

Это означает, что азотная кислота и её соли (нитраты) проявляют сильные окислительные свойства, особенно в реакциях, где азот восстанавливается до более низких степеней окисления (например, до $NO_2$, $NO$, $N_2$, $NH_3$).

Ответ: Степень окисления азота в азотной кислоте и её солях составляет $+5$. Это свидетельствует о том, что данные соединения являются сильными окислителями, так как азот в них находится в своей высшей степени окисления.

2. При действии аммиака на азотную кислоту образуется нитрат аммония, используемый в качестве удобрения. Напишите уравнение реакции.

В задаче описана реакция взаимодействия аммиака с азотной кислотой. Аммиак, имеющий химическую формулу $NH_3$, является основанием. Азотная кислота, с формулой $HNO_3$, является сильной кислотой. При их взаимодействии происходит реакция нейтрализации, в ходе которой образуется соль — нитрат аммония. Химическая формула нитрата аммония — $NH_4NO_3$.

Схема реакции: аммиак + азотная кислота → нитрат аммония.

Запишем это в виде химического уравнения с использованием формул веществ:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

Данная реакция является реакцией соединения. Проверим, сбалансировано ли уравнение, посчитав количество атомов каждого элемента в левой и правой частях. Слева: 2 атома азота (N), 4 атома водорода (H), 3 атома кислорода (O). Справа: 2 атома азота (N), 4 атома водорода (H), 3 атома кислорода (O). Количество атомов всех элементов совпадает, следовательно, уравнение написано верно и не требует дополнительных коэффициентов.

Ответ: $NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

3. В трёх склянках без этикеток находятся соляная, серная и азотная кислоты. Как химическим путём определить содержимое каждой склянки? Напишите уравнения реакций.

Решение

Для того чтобы различить соляную ($HCl$), серную ($H_2SO_4$) и азотную ($HNO_3$) кислоты, находящиеся в трех склянках без этикеток, необходимо провести ряд последовательных качественных химических реакций. Для этого пронумеруем склянки и отберем из каждой пробы в отдельные пробирки.

Шаг 1. Определение азотной кислоты ($HNO_3$)

В каждую из трех пробирок поместим по кусочку меди ($Cu$). Азотная кислота является сильным окислителем и, в отличие от соляной и разбавленной серной кислот, реагирует с медью, которая в ряду активности металлов стоит после водорода. В пробирке с азотной кислотой мы будем наблюдать выделение бурого газа диоксида азота ($NO_2$) и постепенное окрашивание раствора в голубой цвет из-за образования нитрата меди(II). Таким образом мы идентифицируем склянку с $HNO_3$. Две другие кислоты с медью не реагируют.

Уравнение реакции:

$Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

Шаг 2. Определение серной кислоты ($H_2SO_4$)

В две пробирки с оставшимися неизвестными кислотами (соляной и серной) добавим по несколько капель раствора соли бария, например, хлорида бария ($BaCl_2$). В пробирке, содержащей серную кислоту, выпадет обильный белый мелкокристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$), который не растворяется в кислотах. Это качественная реакция на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). В пробирке с соляной кислотой видимых изменений не произойдет.

Уравнение реакции:

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

Шаг 3. Определение соляной кислоты ($HCl$)

Методом исключения, склянка, в которой кислота не прореагировала ни с медью, ни с хлоридом бария, содержит соляную кислоту. Для окончательного подтверждения можно провести качественную реакцию на хлорид-ион ($Cl^-$). К новой пробе из этой склянки следует добавить несколько капель раствора нитрата серебра ($AgNO_3$). В результате выпадет характерный белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

Уравнение реакции:

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

Ответ:

Чтобы определить содержимое каждой склянки, необходимо:

1. К пробам из всех склянок добавить медь ($Cu$). Реакция с выделением бурого газа ($NO_2$) укажет на азотную кислоту. Уравнение: $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$.
2. К двум оставшимся пробам добавить раствор хлорида бария ($BaCl_2$). Выпадение белого осадка ($BaSO_4$) укажет на серную кислоту. Уравнение: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$.
3. В оставшейся склянке находится соляная кислота. Ее можно подтвердить реакцией с нитратом серебра ($AgNO_3$), которая дает белый творожистый осадок ($AgCl$). Уравнение: $HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$.

4. Объясните, почему реакция между разбавленным раствором серной кислоты и нитратом калия не протекает до конца, а при действии на твёрдую соль концентрированной серной кислоты образуется азотная кислота.

Данный вопрос рассматривает два различных условия проведения реакции между серной кислотой и нитратом калия, что приводит к разным результатам.

Почему реакция между разбавленным раствором серной кислоты и нитратом калия не протекает до конца

Реакция обмена в растворах электролитов протекает до конца только в том случае, если один из продуктов реакции удаляется из реакционной среды. Это происходит при образовании:

• осадка (нерастворимого вещества);
• газа;
• малодиссоциирующего вещества (например, воды или слабой кислоты).

Рассмотрим реакцию между разбавленными растворами серной кислоты и нитрата калия. Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$H_2SO_4(р-р) + 2KNO_3(р-р) \rightleftharpoons K_2SO_4(р-р) + 2HNO_3(р-р)$

Все вещества, участвующие в этой реакции (как исходные, так и продукты), являются сильными электролитами и хорошо растворимы в воде. В разбавленном растворе они полностью диссоциированы на ионы. Запишем полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + 2K^+ + 2NO_3^- \rightleftharpoons 2K^+ + SO_4^{2-} + 2H^+ + 2NO_3^-$

Как видно из уравнения, набор ионов в левой и правой частях полностью совпадает. Это означает, что фактически химического превращения не происходит. В растворе просто находится смесь ионов $H^+$, $K^+$, $SO_4^{2-}$, $NO_3^-$. Ни одно из условий необратимости реакции ионного обмена не выполняется. Поэтому реакция является обратимой и не протекает до конца.

Ответ: Реакция в разбавленном растворе не идёт до конца, так как все исходные вещества и продукты являются сильными, хорошо растворимыми в воде электролитами, и в ходе реакции не образуется ни осадка, ни газа, ни слабого электролита, что является необходимым условием для смещения равновесия в сторону продуктов.

Почему при действии на твёрдую соль концентрированной серной кислоты образуется азотная кислота

Ситуация кардинально меняется при использовании концентрированной серной кислоты и твёрдого нитрата калия. Этот метод является промышленным и лабораторным способом получения азотной кислоты. Реакция протекает при небольшом нагревании:

$KNO_3(тв) + H_2SO_4(конц) \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

Ключевое различие заключается в физических свойствах кислот:

• Серная кислота ($H_2SO_4$) — нелетучая кислота с очень высокой температурой кипения (около 337 °C).
• Азотная кислота ($HNO_3$) — летучая кислота с относительно низкой температурой кипения (около 83 °C).

При нагревании смеси концентрированная серная кислота, как менее летучая, вытесняет более летучую азотную кислоту из её соли. Образующаяся азотная кислота при температуре реакции находится в газообразном состоянии и немедленно покидает реакционную смесь.

Согласно принципу Ле Шателье, постоянное удаление одного из продуктов реакции (в данном случае, газообразной $HNO_3$) смещает химическое равновесие вправо, то есть в сторону образования продуктов. Это заставляет реакцию протекать практически до конца.

Ответ: Реакция между твёрдым нитратом калия и концентрированной серной кислотой идёт до конца, потому что концентрированная серная кислота является нелетучей и вытесняет летучую азотную кислоту из её соли. Образующаяся азотная кислота при нагревании улетучивается, покидает сферу реакции, что, согласно принципу Ле Шателье, смещает равновесие в сторону продуктов и обеспечивает полноту протекания реакции.