Страница 179 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Напишите формулы карбонатов и гидрокарбонатов калия и кальция.

Решение

Для того чтобы написать формулы солей (карбонатов и гидрокарбонатов), необходимо составить их из катионов металлов (калия и кальция) и анионов кислотных остатков угольной кислоты (карбонат- и гидрокарбонат-ионов). При этом необходимо соблюдать правило электронейтральности, согласно которому суммарный заряд всех катионов в формульной единице должен быть равен суммарному заряду всех анионов.

Заряды ионов, образующих данные соединения:

• Катион калия: $K^+$ (заряд +1)
• Катион кальция: $Ca^{2+}$ (заряд +2)
• Карбонат-анион: $CO_3^{2-}$ (заряд -2)
• Гидрокарбонат-анион: $HCO_3^-$ (заряд -1)

Карбонат калия

Соединение состоит из катионов калия $K^+$ и карбонат-анионов $CO_3^{2-}$. Чтобы уравновесить заряд карбонат-аниона ($-2$), необходимо взять два катиона калия ($2 \times (+1) = +2$). Таким образом, формула соединения — $K_2CO_3$.

Ответ: $K_2CO_3$.

Гидрокарбонат калия

Соединение состоит из катионов калия $K^+$ и гидрокарбонат-анионов $HCO_3^-$. Заряды ионов равны по модулю ($+1$ и $-1$) и взаимно компенсируют друг друга. Следовательно, на один катион калия приходится один гидрокарбонат-анион. Формула — $KHCO_3$.

Ответ: $KHCO_3$.

Карбонат кальция

Соединение состоит из катионов кальция $Ca^{2+}$ и карбонат-анионов $CO_3^{2-}$. Заряды ионов равны по модулю ($+2$ и $-2$) и взаимно компенсируют друг друга. Следовательно, на один катион кальция приходится один карбонат-анион. Формула — $CaCO_3$.

Ответ: $CaCO_3$.

Гидрокарбонат кальция

Соединение состоит из катионов кальция $Ca^{2+}$ и гидрокарбонат-анионов $HCO_3^-$. Чтобы уравновесить заряд катиона кальция ($+2$), необходимо взять два гидрокарбонат-аниона ($2 \times (-1) = -2$). Поскольку гидрокарбонат-ион является сложным (состоит из нескольких атомов), при указании индекса его необходимо заключать в скобки. Формула — $Ca(HCO_3)_2$.

Ответ: $Ca(HCO_3)_2$.

2. Какие соли угольной кислоты встречаются в природе? Назовите 5–7 минералов.

Решение

Соли угольной кислоты ($H_2CO_3$) называются карбонатами. Они чрезвычайно широко распространены в литосфере, образуя целую группу минералов и горных пород. Угольная кислота является слабой и двухосновной, поэтому она может образовывать как средние соли (карбонаты, содержащие анион $CO_3^{2-}$), так и кислые (гидрокарбонаты, содержащие анион $HCO_3^-$), а также основные карбонаты (содержащие гидроксогруппы $OH^-$).

Ниже приведены 7 примеров природных минералов, являющихся солями угольной кислоты:

1. Кальцит (известковый шпат) — карбонат кальция, $CaCO_3$. Это один из самых распространенных минералов на планете, главный компонент таких горных пород, как известняк, мрамор и мел.

2. Доломит — двойной карбонат кальция и магния, $CaMg(CO_3)_2$. Образует одноименную горную породу.

3. Магнезит — карбонат магния, $MgCO_3$. Используется как сырье для производства огнеупоров.

4. Сидерит (железный шпат) — карбонат железа(II), $FeCO_3$. Является рудой на железо.

5. Малахит — основной карбонат меди, $Cu_2(CO_3)(OH)_2$. Имеет характерный зеленый цвет, ценится как поделочный камень и служит медной рудой.

6. Азурит — также основной карбонат меди, но ярко-синего цвета, $Cu_3(CO_3)_2(OH)_2$. Часто встречается вместе с малахитом.

7. Сода (натрон) — природный кристаллогидрат карбоната натрия, $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$. Встречается в отложениях содовых озер.

Ответ: В природе встречаются соли угольной кислоты, преимущественно в виде минералов-карбонатов. Примеры: кальцит ($CaCO_3$), доломит ($CaMg(CO_3)_2$), магнезит ($MgCO_3$), сидерит ($FeCO_3$), малахит ($Cu_2(CO_3)(OH)_2$), азурит ($Cu_3(CO_3)_2(OH)_2$), сода ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$).

3. При кипячении раствор гидрокарбоната кальция разлагается, подобно гидрокарбонату натрия. Напишите уравнение реакции.

Решение

В условии задачи указано, что гидрокарбонат кальция разлагается при кипячении аналогично гидрокарбонату натрия. Гидрокарбонаты (кислые соли угольной кислоты) при нагревании разлагаются с образованием соответствующего карбоната (средней соли), воды и углекислого газа.

Для гидрокарбоната натрия реакция выглядит так:

$2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

По аналогии, гидрокарбонат кальция $Ca(HCO_3)_2$ при кипячении раствора будет разлагаться на карбонат кальция $CaCO_3$, воду $H_2O$ и углекислый газ $CO_2$. Карбонат кальция является нерастворимым соединением, поэтому он будет выпадать в осадок. Этот процесс является причиной образования накипи в чайниках и котлах.

Составим уравнение реакции для гидрокарбоната кальция:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$

Проверим баланс атомов в уравнении:

• Кальций (Ca): 1 слева, 1 справа.
• Водород (H): 2 слева, 2 справа.
• Углерод (C): 2 слева, 1+1=2 справа.
• Кислород (O): 3*2=6 слева, 3+1+2=6 справа.

Уравнение сбалансировано, коэффициенты не требуются.

Ответ:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$

4. Как распознать, есть ли:

а) в питьевой соде примесь поваренной соли;

б) в поваренной соли примесь кальцинированной соды?

Для распознавания примесей в солях необходимо провести качественные реакции на ионы, которые могут содержаться в этих примесях. Питьевая сода — это гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$), поваренная соль — хлорид натрия ($NaCl$), а кальцинированная сода — карбонат натрия ($Na_2CO_3$).

а) в питьевой соде примесь поваренной соли

Решение

Чтобы обнаружить примесь поваренной соли ($NaCl$) в питьевой соде ($NaHCO_3$), необходимо провести качественную реакцию на хлорид-ион ($Cl^-$). Качественным реактивом на хлорид-ионы является нитрат серебра ($AgNO_3$).

Порядок действий:

1. Небольшое количество исследуемого образца растворить в дистиллированной воде.
2. Поскольку раствор питьевой соды имеет слабощелочную среду, что может привести к выпадению осадка карбоната серебра ($Ag_2CO_3$), необходимо сначала добавить к раствору несколько капель азотной кислоты ($HNO_3$) до прекращения выделения газа (углекислого газа). Это нейтрализует гидрокарбонат-ионы. Реакция: $NaHCO_3 + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O + CO_2 \uparrow$
3. К полученному подкисленному раствору добавить несколько капель раствора нитрата серебра ($AgNO_3$).

Если в питьевой соде есть примесь поваренной соли, то в растворе будут присутствовать хлорид-ионы, которые прореагируют с ионами серебра с образованием белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$), нерастворимого в азотной кислоте.

Уравнение реакции:

$NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$

В ионном виде:

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl \downarrow$

Если осадок не выпадает, значит, примеси хлорида натрия в образце нет.

Ответ: Нужно растворить образец в воде, подкислить азотной кислотой до прекращения выделения газа, а затем добавить раствор нитрата серебра. Появление белого творожистого осадка укажет на наличие примеси поваренной соли.

б) в поваренной соли примесь кальцинированной соды

Решение

Для обнаружения примеси кальцинированной соды ($Na_2CO_3$) в поваренной соли ($NaCl$) необходимо провести качественную реакцию на карбонат-ион ($CO_3^{2-}$). Существует несколько способов.

Способ 1: Действие сильной кислотой

Карбонаты реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа ($CO_2$).

Порядок действий:

1. Растворить образец поваренной соли в воде.
2. К полученному раствору добавить любую сильную кислоту, например, соляную ($HCl$) или серную ($H_2SO_4$).

Если в образце присутствует карбонат натрия, начнется бурное выделение газа (вскипание) – это углекислый газ. Хлорид натрия с кислотой не реагирует.

Уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

В ионном виде:

$CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$

Для подтверждения, что выделяющийся газ – это $CO_2$, его можно пропустить через известковую воду (раствор $Ca(OH)_2$), которая при этом помутнеет из-за образования осадка карбоната кальция ($CaCO_3$).

Способ 2: Осаждение ионом металла

Карбонат-ионы образуют нерастворимые осадки с ионами многих металлов (например, $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$), в то время как хлориды этих металлов растворимы.

Порядок действий:

1. Растворить образец поваренной соли в воде.
2. Добавить к раствору раствор соли кальция или бария, например, хлорид кальция ($CaCl_2$).

Если в образце есть примесь кальцинированной соды, выпадет белый осадок карбоната кальция ($CaCO_3$).

Уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Способ 3: Проверка pH среды

Раствор чистого хлорида натрия нейтрален ($pH \approx 7$). Карбонат натрия гидролизуется по аниону, создавая щелочную среду ($pH > 7$).

Порядок действий:

1. Растворить образец в дистиллированной воде.
2. Проверить pH раствора с помощью индикаторной бумаги или добавить каплю индикатора, например, фенолфталеина.

Если раствор окрасит фенолфталеин в малиновый цвет или универсальный индикатор покажет щелочную среду, это свидетельствует о наличии примеси карбоната натрия.

Ответ: Нужно к водному раствору образца добавить сильную кислоту (например, соляную). Наблюдение «вскипания» (выделения пузырьков газа) будет свидетельствовать о наличии примеси кальцинированной соды. Альтернативно, можно добавить к раствору образца раствор соли кальция (например, $CaCl_2$); выпадение белого осадка укажет на примесь.

5. Получите из угля карбонат бария в минимальное число стадий.

Дано:

Исходное вещество - уголь, основным химическим элементом которого является углерод ($C$).

Найти:

Получить карбонат бария ($BaCO_3$) за минимальное число стадий.

Решение:

Для получения карбоната бария ($BaCO_3$) из угля (углерода, $C$) необходимо провести последовательность химических превращений. Целевое вещество, карбонат бария, является солью, состоящей из катиона бария ($Ba^{2+}$) и карбонат-аниона ($CO_3^{2-}$). Следовательно, задача сводится к получению карбонат-иона из исходного углерода и его последующему соединению с ионом бария из подходящего реагента.

Минимально возможный путь для данного превращения состоит из двух последовательных химических реакций.

На первой стадии необходимо окислить исходный углерод до диоксида углерода ($CO_2$). Это достигается путем сжигания угля в избытке кислорода при нагревании. Уравнение этой реакции:

$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 \uparrow$

На второй стадии полученный диоксид углерода, который является кислотным оксидом, вступает в реакцию с основанием или основным оксидом, содержащим барий. Наиболее наглядной и часто используемой в лабораторной практике является реакция с водным раствором гидроксида бария ($Ba(OH)_2$), известным как баритовая вода. При пропускании углекислого газа через этот раствор образуется нерастворимый в воде белый осадок — карбонат бария. Уравнение реакции:

$CO_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCO_3 \downarrow + H_2O$

В качестве альтернативы на второй стадии можно использовать реакцию газообразного $CO_2$ с твердым оксидом бария ($BaO$) при нагревании, которая также приводит к образованию целевого продукта:

$CO_2 + BaO \xrightarrow{t^\circ} BaCO_3$

Таким образом, синтез в две стадии является наиболее коротким и рациональным путем. Провести данное превращение в одну стадию в стандартных условиях невозможно.

Ответ:

Получение карбоната бария из угля можно осуществить в две стадии:

1. Сжигание угля для получения диоксида углерода: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$

2. Реакция диоксида углерода с гидроксидом бария: $CO_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCO_3 \downarrow + H_2O$

6. Почему при кипячении раствора питьевой соды его щёлочность возрастает?

Решение

Питьевая сода, или гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$), является солью, образованной сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$). При растворении в воде она подвергается гидролизу, что создает слабощелочную среду. Это происходит за счет реакции гидрокарбонат-иона с водой:

$HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$

Образующиеся в результате этой обратимой реакции гидроксид-ионы ($OH^-$) и придают раствору щелочные свойства. Однако, при кипячении раствора происходят процессы, которые значительно увеличивают концентрацию гидроксид-ионов и, следовательно, щёлочность.

Основной причиной повышения щёлочности при кипячении является термическое разложение гидрокарбоната натрия. При температуре около 100 °C он распадается с образованием карбоната натрия ($Na_2CO_3$), воды и углекислого газа:

$2NaHCO_3(р-р) \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г) \uparrow$

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$), в свою очередь, также является солью сильного основания и слабой кислоты, но гидролизуется значительно сильнее, чем гидрокарбонат натрия. Реакция гидролиза карбонат-иона выглядит следующим образом:

$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

Эта реакция протекает более полно, чем гидролиз исходного $HCO_3^-$, и приводит к образованию гораздо большей концентрации ионов $OH^-$. В результате щёлочность раствора (его pH) заметно возрастает.

Дополнительным фактором является то, что угольная кислота ($H_2CO_3$), образующаяся при гидролизе, нестабильна и при нагревании легко разлагается на воду и углекислый газ ($H_2CO_3 \rightleftharpoons H_2O + CO_2 \uparrow$), который улетучивается из раствора. Удаление продукта реакции, согласно принципу Ле Шателье, смещает равновесие гидролиза вправо, что также способствует увеличению концентрации ионов $OH^-$.

Таким образом, превращение менее щелочного гидрокарбоната натрия в более щелочной карбонат натрия является главной причиной усиления щёлочности раствора при кипячении.

Ответ: При кипячении раствора питьевой соды ($NaHCO_3$) происходит её термическое разложение с образованием карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Карбонат натрия является солью, которая подвергается гидролизу в значительно большей степени, чем исходный гидрокарбонат натрия, что приводит к увеличению концентрации гидроксид-ионов ($OH^−$) в растворе и, как следствие, к возрастанию его щёлочности.

7. При обработке 21,2 г смеси карбоната и сульфата натрия соляной кислотой выделилось 2,24 л газа (н. у.). Определите состав смеси в массовых процентах.

Дано:

$m(\text{смеси Na}_2\text{CO}_3 \text{ и Na}_2\text{SO}_4) = 21,2 \text{ г}$

$V(\text{газа}) = 2,24 \text{ л}$ (н. у.)

Найти:

$\omega(\text{Na}_2\text{CO}_3) - ?$

$\omega(\text{Na}_2\text{SO}_4) - ?$

Решение:

При обработке смеси карбоната натрия ($Na_2CO_3$) и сульфата натрия ($Na_2SO_4$) соляной кислотой ($HCl$) в реакцию вступает только карбонат натрия, так как сульфат натрия — это соль, образованная сильным основанием и сильной кислотой, и с другой сильной кислотой, как соляная, не взаимодействует.

Уравнение реакции, которая протекает:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Выделившийся в ходе реакции газ — это углекислый газ ($CO_2$).

1. Найдем количество вещества выделившегося углекислого газа. Поскольку объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), для расчета используем молярный объем газов, равный $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

2. Используя уравнение реакции, определим количество вещества карбоната натрия, которое прореагировало. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении, соотношение количеств веществ $Na_2CO_3$ и $CO_2$ равно 1:1.

$n(Na_2CO_3) = n(CO_2) = 0,1 \text{ моль}$

3. Вычислим массу карбоната натрия в исходной смеси. Сначала найдем молярную массу $Na_2CO_3$.

$M(Na_2CO_3) = 2 \cdot M(Na) + M(C) + 3 \cdot M(O) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 106 \text{ г/моль}$

Теперь можно рассчитать массу карбоната натрия:

$m(Na_2CO_3) = n(Na_2CO_3) \cdot M(Na_2CO_3) = 0,1 \text{ моль} \cdot 106 \text{ г/моль} = 10,6 \text{ г}$

4. Зная общую массу смеси и массу одного из ее компонентов, найдем массу второго компонента — сульфата натрия.

$m(Na_2SO_4) = m(\text{смеси}) - m(Na_2CO_3) = 21,2 \text{ г} - 10,6 \text{ г} = 10,6 \text{ г}$

5. Наконец, определим состав смеси в массовых процентах (массовые доли компонентов).

Массовая доля карбоната натрия:

$\omega(Na_2CO_3) = \frac{m(Na_2CO_3)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{10,6 \text{ г}}{21,2 \text{ г}} \cdot 100\% = 0,5 \cdot 100\% = 50\%$

Массовая доля сульфата натрия:

$\omega(Na_2SO_4) = \frac{m(Na_2SO_4)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{10,6 \text{ г}}{21,2 \text{ г}} \cdot 100\% = 0,5 \cdot 100\% = 50\%$

Ответ: массовая доля карбоната натрия ($Na_2CO_3$) в смеси составляет 50%, массовая доля сульфата натрия ($Na_2SO_4$) — 50%.

8. Неизвестная соль при нагревании разлагается, не оставляя твёрдого остатка, а с растворами кислот и щелочей реагирует с образованием газа. О какой соли идёт речь? Предложите два варианта ответа.

Проанализируем свойства неизвестной соли, описанные в условии задачи, по пунктам.

1. Реагирует с раствором щелочи с образованием газа. Это свойство характерно для солей аммония. Катион аммония ($NH_4^+$) вступает в реакцию с гидроксид-ионами ($OH^-$), в результате чего выделяется газообразный аммиак ($NH_3$):

$NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + H_2O$

2. Реагирует с раствором кислоты с образованием газа. Это означает, что анион соли образован слабой и/или летучей кислотой. При реакции с более сильной кислотой выделяется газ. Примерами таких анионов являются карбонат ($CO_3^{2-}$), гидрокарбонат ($HCO_3^-$), сульфит ($SO_3^{2-}$) или нитрит ($NO_2^-$).

3. При нагревании разлагается, не оставляя твёрдого остатка. Это условие подтверждает, что соль является солью аммония и летучей кислоты. При термическом разложении таких солей все продукты являются газообразными веществами.

Исходя из этих трех пунктов, можно сделать вывод, что искомая соль — это соль аммония, образованная слабой летучей кислотой. Наиболее распространенными примерами являются соли угольной кислоты. Предложим два варианта.

Вариант 1

Неизвестной солью может быть карбонат аммония, формула которого $(NH_4)_2CO_3$. Проверим его свойства:

- Разложение при нагревании: $(NH_4)_2CO_3(тв.) \xrightarrow{t} 2NH_3(г.) + CO_2(г.) + H_2O(г.)$. Твердого остатка нет.

- Реакция с кислотой (например, с соляной кислотой $HCl$): $(NH_4)_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NH_4Cl + H_2O + CO_2 \uparrow$. Выделяется углекислый газ.

- Реакция со щелочью (например, с гидроксидом натрия $NaOH$): $(NH_4)_2CO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$. Выделяется аммиак.

Все условия выполняются.

Ответ: карбонат аммония $((NH_4)_2CO_3)$.

Вариант 2

Неизвестной солью может быть гидрокарбонат аммония, формула которого $NH_4HCO_3$. Проверим его свойства:

- Разложение при нагревании: $NH_4HCO_3(тв.) \xrightarrow{t} NH_3(г.) + CO_2(г.) + H_2O(г.)$. Твердого остатка нет.

- Реакция с кислотой (например, с соляной кислотой $HCl$): $NH_4HCO_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl + H_2O + CO_2 \uparrow$. Выделяется углекислый газ.

- Реакция со щелочью (например, с гидроксидом натрия $NaOH$): $NH_4HCO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + NH_3 \uparrow + 2H_2O$. Выделяется аммиак.

Все условия выполняются.

Ответ: гидрокарбонат аммония $(NH_4HCO_3)$.

9. Напишите уравнения реакций, соответствующих схеме:

$Ca(HCO_3)_2 \to NaHCO_3 \to Na_2CO_3 \to CO_2 \to CaCO_3$.

1. $Ca(HCO_3)_2 \rightarrow NaHCO_3$

Для осуществления данного превращения можно использовать реакцию ионного обмена между гидрокарбонатом кальция и растворимой солью натрия, которая при взаимодействии с ионом кальция образует нерастворимое соединение. Подходящим реагентом является карбонат натрия ($Na_2CO_3$). В результате реакции в осадок выпадает карбонат кальция ($CaCO_3$), а в растворе остается гидрокарбонат натрия.

Ответ: $Ca(HCO_3)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaHCO_3 + CaCO_3\downarrow$

2. $NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3$

Гидрокарбонат натрия можно превратить в карбонат натрия путем термического разложения. При нагревании гидрокарбонат натрия (пищевая сода) разлагается с образованием карбоната натрия, воды и углекислого газа.

Ответ: $2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

3. $Na_2CO_3 \rightarrow CO_2$

Чтобы получить углекислый газ из карбоната натрия, необходимо подействовать на него более сильной кислотой, например, соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$). В ходе реакции выделяется углекислый газ, так как образующаяся угольная кислота ($H_2CO_3$) является неустойчивой и распадается на воду и $CO_2$.

Ответ: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

4. $CO_2 \rightarrow CaCO_3$

Получение нерастворимого карбоната кальция из углекислого газа является качественной реакцией на $CO_2$. Для этого углекислый газ пропускают через раствор гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$), известный как известковая вода. При этом происходит помутнение раствора из-за образования белого осадка карбоната кальция.

Ответ: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$