Страница 160 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Напишите формулы всех солей магния и фосфорной кислоты и назовите их.

Решение

Фосфорная кислота ($H_3PO_4$) является трехосновной, что означает, что она может образовывать три типа солей при реакции с основанием или металлом: одну среднюю и две кислые. Это связано со ступенчатой диссоциацией кислоты, в результате которой образуются три разных аниона: фосфат ($PO_4^{3-}$), гидрофосфат ($HPO_4^{2-}$) и дигидрофосфат ($H_2PO_4^{-}$). Магний в солях существует в виде катиона $Mg^{2+}$.

Фосфат магния (средняя соль)

Эта соль образуется при полном замещении атомов водорода в кислоте на ионы магния. Она состоит из ионов магния $Mg^{2+}$ и фосфат-ионов $PO_4^{3-}$. Для того чтобы молекула была электронейтральной, необходимо сбалансировать заряды. Наименьшее общее кратное для зарядов 2 и 3 равно 6. Следовательно, требуется три иона магния ($3 \cdot (+2) = +6$) и два фосфат-иона ($2 \cdot (-3) = -6$).

Формула соли: $Mg_3(PO_4)_2$.

Гидрофосфат магния (кислая соль)

Эта соль образуется при неполном замещении атомов водорода. Она состоит из ионов магния $Mg^{2+}$ и гидрофосфат-ионов $HPO_4^{2-}$. Заряды катиона и аниона равны по модулю ($+2$ и $-2$), поэтому они соединяются в соотношении 1:1.

Формула соли: $MgHPO_4$.

Дигидрофосфат магния (кислая соль)

Это второй тип кислой соли, который образуется, когда в кислотном остатке сохраняется два атома водорода. Соль состоит из ионов магния $Mg^{2+}$ и дигидрофосфат-ионов $H_2PO_4^{-}$. Для компенсации заряда иона магния ($+2$) требуется два дигидрофосфат-иона, каждый с зарядом $-1$.

Формула соли: $Mg(H_2PO_4)_2$.

Ответ:

Формула $Mg_3(PO_4)_2$, название — фосфат магния (средняя соль).

Формула $MgHPO_4$, название — гидрофосфат магния (кислая соль).

Формула $Mg(H_2PO_4)_2$, название — дигидрофосфат магния (кислая соль).

2. Какие вещества могут быть получены при пропускании аммиака через раствор фосфорной кислоты? Напишите формулы этих веществ и уравнения реакций их получения.

Решение

При пропускании аммиака ($NH_3$) через раствор фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) происходит реакция нейтрализации. Поскольку фосфорная кислота является трехосновной, а аммиак — основанием, реакция может протекать постадийно. В зависимости от мольного соотношения реагентов могут образовываться три разные соли — фосфаты аммония.

Получение дигидрофосфата аммония

При взаимодействии реагентов в мольном соотношении 1:1 (недостаток аммиака или избыток кислоты) образуется кислая соль — дигидрофосфат аммония.

Формула вещества: $NH_4H_2PO_4$.

Уравнение реакции получения:

$NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow NH_4H_2PO_4$

Ответ: Дигидрофосфат аммония, формула $NH_4H_2PO_4$.

Получение гидрофосфата аммония

Если на 1 моль фосфорной кислоты взять 2 моля аммиака, образуется другая кислая соль — гидрофосфат аммония.

Формула вещества: $(NH_4)_2HPO_4$.

Уравнение реакции получения:

$2NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow (NH_4)_2HPO_4$

Ответ: Гидрофосфат аммония, формула $(NH_4)_2HPO_4$.

Получение фосфата аммония

При полном избытке аммиака (соотношение реагентов 3:1) происходит полная нейтрализация кислоты с образованием средней (нормальной) соли — фосфата аммония.

Формула вещества: $(NH_4)_3PO_4$.

Уравнение реакции получения:

$3NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow (NH_4)_3PO_4$

Ответ: Фосфат аммония, формула $(NH_4)_3PO_4$.

3. Эффективность фосфорных удобрений принято оценивать, рассчитывая долю $P_2O_5$ в каждом из них. Рассчитайте долю $P_2O_5$ в простом и двойном суперфосфате.

Эффективность фосфорных удобрений принято выражать через массовую долю эквивалентного количества оксида фосфора(V), $P_2O_5$. Это условная величина, показывающая, какая масса $P_2O_5$ содержит столько же фосфора, сколько его содержится в данной массе удобрения. Расчет этой доли основан на стехиометрическом соотношении, согласно которому 2 атома фосфора эквивалентны одной молекуле $P_2O_5$.

Для расчетов будем использовать округленные до целых атомные массы (в а.е.м.): $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$, $Ar(P) = 31$, $Ar(S) = 32$, $Ar(Ca) = 40$.

Молярная масса оксида фосфора(V) составляет:

$M(P_2O_5) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 62 + 80 = 142$ г/моль.

Дано:

Простой суперфосфат: идеализированный состав, получаемый по реакции $Ca_3(PO_4)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2CaSO_4$. Условная формула смеси - $Ca(H_2PO_4)_2 + 2CaSO_4$.

Двойной суперфосфат: идеализированный состав, где основное вещество - дигидрофосфат кальция, $Ca(H_2PO_4)_2$.

Найти:

Массовую долю $P_2O_5$ ( $ω(P_2O_5)$ ) в простом и двойном суперфосфате.

Решение:

Простой суперфосфат

Действующим веществом, содержащим фосфор, является дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2$, но при расчете доли необходимо учитывать и балластный сульфат кальция $CaSO_4$, входящий в состав удобрения.

1. Рассчитаем молярные массы компонентов:

$M(Ca(H_2PO_4)_2) = 40 + 2 \cdot (1 \cdot 2 + 31 + 16 \cdot 4) = 40 + 2 \cdot 97 = 234$ г/моль.

$M(CaSO_4) = 40 + 32 + 16 \cdot 4 = 136$ г/моль.

2. Найдем общую молярную массу условной формульной единицы простого суперфосфата:

$M_{общ} = M(Ca(H_2PO_4)_2) + 2 \cdot M(CaSO_4) = 234 + 2 \cdot 136 = 234 + 272 = 506$ г/моль.

3. В одной формульной единице $Ca(H_2PO_4)_2$ содержится 2 атома фосфора. Этим двум молям атомов фосфора эквивалентен один моль $P_2O_5$. Таким образом, на 506 г простого суперфосфата (1 моль условной смеси) приходится масса $P_2O_5$, равная его молярной массе, то есть 142 г.

4. Рассчитаем массовую долю $P_2O_5$ в простом суперфосфате:

$ω(P_2O_5) = \frac{m_{эквив}(P_2O_5)}{m_{общ}} = \frac{M(P_2O_5)}{M_{общ}} = \frac{142}{506} \approx 0.2806$

В процентах это составляет $0.2806 \cdot 100\% = 28.06\%$.

Ответ: Теоретическая массовая доля $P_2O_5$ в простом суперфосфате составляет 28.06%.

Двойной суперфосфат

Двойной суперфосфат в идеале представляет собой чистое вещество - дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2$. Расчет ведем для этого соединения.

1. Молярная масса $Ca(H_2PO_4)_2$ составляет 234 г/моль.

2. В одной формульной единице $Ca(H_2PO_4)_2$ также содержится 2 атома фосфора, что эквивалентно одной молекуле $P_2O_5$. Таким образом, на 234 г двойного суперфосфата (1 моль) приходится 142 г $P_2O_5$.

3. Рассчитаем массовую долю $P_2O_5$ в двойном суперфосфате:

$ω(P_2O_5) = \frac{M(P_2O_5)}{M(Ca(H_2PO_4)_2)} = \frac{142}{234} \approx 0.6068$

В процентах это составляет $0.6068 \cdot 100\% = 60.68\%$.

Примечание: Полученные значения являются теоретическими максимумами для идеализированных составов. В реальных удобрениях содержание $P_2O_5$ ниже из-за наличия примесей в исходном сырье (фосфорите) и гидратной воды в конечном продукте.

Ответ: Теоретическая массовая доля $P_2O_5$ в двойном суперфосфате составляет 60.68%.

4. Обработка фосфорита $Ca_3(PO_4)_2$ горячей концентрированной азотной кислотой вместо серной кислоты приводит к образованию раствора, действуя на который аммиаком получают комплексное удобрение. Напишите уравнения реакций.

Процесс получения комплексного удобрения из фосфорита, описанный в задаче, можно разделить на два основных этапа. Сначала фосфорит подвергается кислотному разложению азотной кислотой, а затем полученный раствор нейтрализуется аммиаком.

1. Обработка фосфорита азотной кислотой.

На этой стадии фосфорит (природный минерал, основной компонент которого — ортофосфат кальция $Ca_3(PO_4)_2$) вступает в реакцию с концентрированной азотной кислотой ($HNO_3$). Так как азотная кислота является более сильной, чем ортофосфорная, она вытесняет последнюю из её соли. В результате реакции обмена образуются растворимые в воде нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$) и ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$).

Уравнение реакции:

$Ca_3(PO_4)_2 + 6HNO_3 \rightarrow 3Ca(NO_3)_2 + 2H_3PO_4$

2. Нейтрализация аммиаком.

Полученный на первой стадии раствор, содержащий ортофосфорную кислоту и нитрат кальция, обрабатывают аммиаком ($NH_3$). Аммиак, проявляя основные свойства, вступает в реакцию нейтрализации с ортофосфорной кислотой. В зависимости от количества добавленного аммиака, могут образовываться различные соли — дигидрофосфат аммония и гидрофосфат аммония. Эти вещества, наряду с нитратом кальция, который не участвует в этой реакции, и образуют комплексное удобрение, содержащее важные для растений питательные элементы: азот (в нитратной и аммонийной формах), фосфор и кальций.

Уравнения реакций нейтрализации:

При добавлении недостатка аммиака образуется дигидрофосфат аммония:

$H_3PO_4 + NH_3 \rightarrow NH_4H_2PO_4$

При дальнейшем добавлении аммиака образуется гидрофосфат аммония:

$H_3PO_4 + 2NH_3 \rightarrow (NH_4)_2HPO_4$

Таким образом, в результате всего процесса получают смесь, содержащую нитрат кальция, дигидрофосфат и гидрофосфат аммония.

Ответ: Уравнения реакций, протекающих в ходе процесса:

$Ca_3(PO_4)_2 + 6HNO_3 \rightarrow 3Ca(NO_3)_2 + 2H_3PO_4$

$H_3PO_4 + NH_3 \rightarrow NH_4H_2PO_4$

$H_3PO_4 + 2NH_3 \rightarrow (NH_4)_2HPO_4$

5. Какое количество гидроксида натрия необходимо добавить к 4,8 моль фосфорной кислоты для получения:

а) дигидрофосфата натрия;

б) гидрофосфата натрия;

в) эквимолярной (т. е. содержащей равные количества вещества) смеси гидрофосфата натрия и среднего фосфата натрия?

Дано:

Количество вещества фосфорной кислоты $n(H_3PO_4) = 4,8 \text{ моль}$

Найти:

а) $n_a(NaOH)$ — для получения дигидрофосфата натрия

б) $n_б(NaOH)$ — для получения гидрофосфата натрия

в) $n_в(NaOH)$ — для получения эквимолярной смеси гидрофосфата и фосфата натрия

Решение:

а) Для получения дигидрофосфата натрия ($NaH_2PO_4$) реакция нейтрализации фосфорной кислоты гидроксидом натрия протекает по следующему уравнению:

$H_3PO_4 + NaOH \rightarrow NaH_2PO_4 + H_2O$

Согласно стехиометрии реакции, фосфорная кислота и гидроксид натрия реагируют в молярном соотношении 1:1. Это означает, что для полной реакции с 4,8 моль фосфорной кислоты потребуется такое же количество вещества гидроксида натрия.

$n_a(NaOH) = n(H_3PO_4) = 4,8 \text{ моль}$

Ответ: необходимо добавить 4,8 моль гидроксида натрия.

б) Для получения гидрофосфата натрия ($Na_2HPO_4$) реакция протекает по уравнению:

$H_3PO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2HPO_4 + 2H_2O$

В этом случае молярное соотношение реагентов $H_3PO_4$ и $NaOH$ составляет 1:2. Следовательно, количество вещества гидроксида натрия должно быть в два раза больше количества вещества фосфорной кислоты.

$n_б(NaOH) = 2 \cdot n(H_3PO_4) = 2 \cdot 4,8 \text{ моль} = 9,6 \text{ моль}$

Ответ: необходимо добавить 9,6 моль гидроксида натрия.

в) Необходимо получить эквимолярную (содержащую равные количества вещества) смесь гидрофосфата натрия ($Na_2HPO_4$) и среднего фосфата натрия ($Na_3PO_4$). Это означает, что в конечной смеси $n(Na_2HPO_4) = n(Na_3PO_4)$.

Пусть из исходных 4,8 моль $H_3PO_4$ образовалось $x$ моль $Na_2HPO_4$ и $x$ моль $Na_3PO_4$.

Запишем уравнения реакций, приводящих к образованию этих солей:

1) $H_3PO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2HPO_4 + 2H_2O$

2) $H_3PO_4 + 3NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 3H_2O$

Из уравнений следует:

- для образования $x$ моль $Na_2HPO_4$ потребуется $x$ моль $H_3PO_4$ и $2x$ моль $NaOH$.

- для образования $x$ моль $Na_3PO_4$ потребуется $x$ моль $H_3PO_4$ и $3x$ моль $NaOH$.

Общее количество вещества фосфорной кислоты, вступившей в реакцию, равно сумме количеств, пошедших на образование каждой соли, и равно исходному количеству:

$n_{общ}(H_3PO_4) = x + x = 2x$

$2x = 4,8 \text{ моль} \implies x = \frac{4,8}{2} = 2,4 \text{ моль}$

Таким образом, в результате реакции должно образоваться 2,4 моль $Na_2HPO_4$ и 2,4 моль $Na_3PO_4$.

Общее количество вещества гидроксида натрия, которое необходимо добавить, равно сумме количеств, затраченных на обе реакции:

$n_в(NaOH) = n_{NaOH(1)} + n_{NaOH(2)} = 2x + 3x = 5x$

Подставим найденное значение $x$:

$n_в(NaOH) = 5 \cdot 2,4 \text{ моль} = 12,0 \text{ моль}$

Ответ: необходимо добавить 12,0 моль гидроксида натрия.

6. Какие фосфорные удобрения вы знаете? Опишите их свойства.

Фосфорные удобрения — это вид минеральных удобрений, основным питательным элементом которых является фосфор. Фосфор необходим растениям для нормального роста, развития корневой системы, цветения и плодоношения. Он входит в состав нуклеиновых кислот, ферментов и витаминов, а также участвует в энергетическом обмене в клетках растений.

В зависимости от растворимости в воде и доступности для растений, фосфорные удобрения классифицируют на несколько групп:

• Водорастворимые: фосфор в них находится в наиболее доступной для растений форме. К этой группе относятся суперфосфаты, аммофосы. Они эффективны на всех типах почв.
• Полурастворимые (растворимые в слабых кислотах): не растворяются в воде, но растворяются в слабых кислотах (например, в 2%-й лимонной кислоте). Их эффективность выше на кислых почвах. Пример — преципитат.
• Труднорастворимые: практически нерастворимы в воде и слабых кислотах. Фосфор из таких удобрений становится доступным для растений очень медленно, под действием почвенных кислот. Их применяют только на кислых почвах. Пример — фосфоритная мука.

Ниже описаны свойства наиболее распространенных фосфорных удобрений.

Простой суперфосфат

Это одно из самых первых и широко используемых фосфорных удобрений. Получают его путем обработки природных фосфатов серной кислотой.

Свойства:

• Основным действующим веществом является дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2 \cdot H_2O$. В качестве балласта содержит значительное количество гипса ($CaSO_4$), который является источником серы.
• Содержание усвояемого оксида фосфора(V) ($P_2O_5$) составляет 14-20%.
• Представляет собой порошок или гранулы серого цвета.
• Хорошо растворяется в воде, благодаря чему фосфор быстро усваивается растениями.
• Применяется на всех типах почв для основного, припосевного внесения и в качестве подкормок для всех сельскохозяйственных культур.

Ответ: Водорастворимое удобрение, содержащее 14-20% $P_2O_5$ и гипс (источник серы), эффективное на всех типах почв.

Двойной суперфосфат

Это концентрированное фосфорное удобрение, получаемое обработкой фосфатного сырья фосфорной кислотой. В отличие от простого, почти не содержит балластного гипса.

Свойства:

• Состоит преимущественно из дигидрофосфата кальция $Ca(H_2PO_4)_2 \cdot H_2O$.
• Содержание усвояемого $P_2O_5$ значительно выше — от 40% до 50%.
• Выпускается в виде гранул светло-серого цвета.
• Хорошо растворим в воде, как и простой суперфосфат.
• Высокая концентрация действующего вещества делает его более экономичным для транспортировки и внесения по сравнению с простым суперфосфатом. Применяется так же, как и простой суперфосфат, но в меньших дозах.

Ответ: Высококонцентрированное (40-50% $P_2O_5$) водорастворимое удобрение, не содержащее балласта, эффективное на всех типах почв.

Фосфоритная мука

Это природное минеральное удобрение, получаемое путем тонкого помола фосфоритов.

Свойства:

• Действующее вещество — фосфат кальция $Ca_3(PO_4)_2$.
• Содержание общего $P_2O_5$ колеблется от 19% до 30%.
• Представляет собой тонкий порошок серого или бурого цвета, нерастворимый в воде.
• Фосфор из фосфоритной муки переходит в доступную для растений форму очень медленно, под действием кислот, выделяемых корнями растений и почвенными микроорганизмами.
• Эффективен только на кислых почвах (подзолистых, торфяниках), так как для растворения фосфата кальция необходима кислая среда. Обладает длительным последействием и способствует снижению кислотности почвы. Вносится осенью под глубокую перекопку.

Ответ: Труднорастворимое удобрение длительного действия (19-30% $P_2O_5$), которое эффективно только на кислых почвах и обладает свойством их известкования.

Аммофос

Это комплексное, высококонцентрированное азотно-фосфорное удобрение.

Свойства:

• Состоит из смеси моноаммонийфосфата ($NH_4H_2PO_4$) и диаммонийфосфата ($(NH_4)_2HPO_4$).
• Содержит около 10-12% азота (N) и 44-52% фосфора ($P_2O_5$).
• Хорошо растворим в воде. Питательные элементы находятся в легкоусвояемой форме.
• Выпускается в гранулированном виде.
• Применяется на любых почвах под все культуры в качестве основного, припосевного удобрения и для подкормок. Особенно ценен для обеспечения растений фосфором в начальный период роста.

Ответ: Комплексное водорастворимое удобрение, содержащее азот (10-12%) и большое количество фосфора (44-52%), эффективное на всех почвах.

7. Как из белого фосфора получить гидрофосфат натрия? Напишите уравнения реакций.

Решение

Для получения гидрофосфата натрия из белого фосфора можно осуществить следующую последовательность химических реакций в три этапа.

1. Сначала необходимо провести окисление белого фосфора. Его сжигают в избытке кислорода, в результате чего образуется высший оксид фосфора — оксид фосфора(V). Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов, ее формула $P_4$.

$$P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$$

2. Далее, полученный оксид фосфора(V) ($P_4O_{10}$), который является кислотным оксидом, необходимо растворить в воде. В результате реакции гидратации образуется ортофосфорная (или просто фосфорная) кислота ($H_3PO_4$).

$$P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$$

3. На заключительном этапе проводят реакцию неполной нейтрализации ортофосфорной кислоты щёлочью, например, гидроксидом натрия ($NaOH$). Чтобы получить именно гидрофосфат натрия ($Na_2HPO_4$), являющийся кислой солью, необходимо взять реагенты в молярном соотношении кислоты к щёлочи как 1:2.

$$H_3PO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2HPO_4 + 2H_2O$$

Таким образом, осуществлена следующая цепочка превращений: $P_4 \rightarrow P_4O_{10} \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow Na_2HPO_4$.

Ответ:

Для получения гидрофосфата натрия из белого фосфора необходимо последовательно провести следующие реакции:

1) $P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$

2) $P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$

3) $H_3PO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2HPO_4 + 2H_2O$

8. Составьте уравнения реакций в соответствии со схемой:

$P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \rightarrow H_3PO_4.$

Решение

Для представленной схемы химических превращений составим соответствующие уравнения реакций.

1. $P \rightarrow P_2O_5$

Сгорание фосфора в избытке кислорода приводит к образованию оксида фосфора(V). Реакция обычно требует небольшого нагревания для инициации.

$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$

Ответ: $4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$

2. $P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4$

Оксид фосфора(V) является кислотным оксидом и бурно реагирует с водой, образуя ортофосфорную кислоту.

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

3. $H_3PO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2$

Ортофосфорная кислота, будучи трехосновной, может образовывать кислые соли. Для получения дигидрофосфата кальция кислота должна реагировать с основанием (например, гидроксидом кальция) в молярном соотношении $2:1$.

$2H_3PO_4 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2H_2O$

Ответ: $2H_3PO_4 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2H_2O$

4. $Ca(H_2PO_4)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

Превращение кислой соли в среднюю (нормальную) соль, ортофосфат кальция, происходит при добавлении достаточного количества основания для полной нейтрализации кислотных гидроксильных групп. Ортофосфат кальция нерастворим в воде и выпадает в осадок.

$Ca(H_2PO_4)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 4H_2O$

Ответ: $Ca(H_2PO_4)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 4H_2O$

5. $Ca_3(PO_4)_2 \rightarrow $

Последняя стрелка в основной цепи, вероятно, подразумевает восстановление фосфата кальция до элементарного фосфора. Это промышленный способ его получения, который заключается в прокаливании фосфата с коксом (углеродом) и песком (диоксидом кремния) в электропечах.

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{1500^{\circ}C} P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO\uparrow$

Ответ: $2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{1500^{\circ}C} P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO\uparrow$

6. $P \rightarrow H_3PO_4$ (параллельная ветвь)

В схеме также указан прямой переход от фосфора к ортофосфорной кислоте. Это можно осуществить, окисляя фосфор сильным окислителем, например, концентрированной азотной кислотой при нагревании.

$P + 5HNO_3(\text{конц.}) \xrightarrow{t} H_3PO_4 + 5NO_2\uparrow + H_2O$

Ответ: $P + 5HNO_3(\text{конц.}) \xrightarrow{t} H_3PO_4 + 5NO_2\uparrow + H_2O$