Страница 234 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Как изменяются кислотно-основные свойства высших оксидов при движении по периоду? Ответ проиллюстрируйте на примере элементов 3-го периода.

Решение

При движении по периоду слева направо в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева происходит увеличение заряда ядра атомов, уменьшение их радиуса и увеличение электроотрицательности. Это приводит к ослаблению металлических свойств элементов и усилению неметаллических свойств.

Кислотно-основные свойства высших оксидов изменяются в соответствии с изменением свойств самих элементов. При движении по периоду слева направо характер высших оксидов закономерно изменяется от основного через амфотерный к кислотному. Это связано с изменением характера химической связи "элемент–кислород" от преимущественно ионной у металлов до ковалентной полярной у неметаллов.

Проиллюстрируем эту закономерность на примере элементов 3-го периода.

Na (Натрий)

Высший оксид: $Na_2O$. Это оксид типичного щелочного металла. Он проявляет ярко выраженные основные свойства. Реагирует с кислотами, образуя соль и воду:

$Na_2O + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O$

Ему соответствует сильное основание — гидроксид натрия ($NaOH$).

Mg (Магний)

Высший оксид: $MgO$. Это оксид щелочноземельного металла, проявляющий основные свойства, хотя и менее выраженные, чем у $Na_2O$. Реагирует с кислотами:

$MgO + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O$

Ему соответствует основание средней силы — гидроксид магния ($Mg(OH)_2$).

Al (Алюминий)

Высший оксид: $Al_2O_3$. Этот оксид является амфотерным, то есть реагирует и с кислотами, и с щелочами:

С кислотой: $Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$

Со щелочью (в растворе): $Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

Ему соответствует амфотерный гидроксид — $Al(OH)_3$.

Si (Кремний)

Высший оксид: $SiO_2$ (диоксид кремния). Это оксид неметалла, проявляющий кислотные свойства. Он реагирует с сильными основаниями (щелочами):

$SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$

Ему соответствует очень слабая кремниевая кислота ($H_2SiO_3$).

P (Фосфор)

Высший оксид: $P_2O_5$ (оксид фосфора(V)). Это кислотный оксид, который активно реагирует с водой и основаниями:

$P_2O_5 + 6KOH \rightarrow 2K_3PO_4 + 3H_2O$

Ему соответствует ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$) средней силы.

S (Сера)

Высший оксид: $SO_3$ (оксид серы(VI)). Это типичный кислотный оксид с ярко выраженными кислотными свойствами:

$SO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + H_2O$

Ему соответствует сильная серная кислота ($H_2SO_4$).

Cl (Хлор)

Высший оксид: $Cl_2O_7$ (оксид хлора(VII)). Это кислотный оксид, соответствующий самой сильной из кислородсодержащих кислот хлора:

$Cl_2O_7 + 2NaOH \rightarrow 2NaClO_4 + H_2O$

Ему соответствует очень сильная хлорная кислота ($HClO_4$).

Таким образом, ряд высших оксидов элементов 3-го периода $Na_2O \rightarrow MgO \rightarrow Al_2O_3 \rightarrow SiO_2 \rightarrow P_2O_5 \rightarrow SO_3 \rightarrow Cl_2O_7$ демонстрирует плавный переход от основных свойств через амфотерные к кислотным, причём сила кислотных свойств нарастает.

Ответ: При движении по периоду слева направо кислотно-основные свойства высших оксидов изменяются от основных к амфотерным и далее к кислотным. При этом кислотные свойства усиливаются, а основные ослабевают.

2. Почему водный раствор фтороводорода имеет кислотную реакцию среды, а водный раствор аммиака — щелочную?

Кислотность или щелочность водного раствора вещества определяется его способностью взаимодействовать с молекулами воды. Согласно протонной теории Брёнстеда-Лоури, кислоты являются донорами протонов ($H^+$), а основания — их акцепторами. Реакция среды зависит от итогового соотношения концентраций ионов гидроксония ($H_3O^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$) в растворе.

Кислотная реакция водного раствора фтороводорода

При растворении в воде фтороводород ($HF$) ведет себя как кислота. Молекула фтороводорода диссоциирует (ионизируется), отдавая протон ($H^+$) молекуле воды ($H_2O$). В результате образуется ион гидроксония ($H_3O^+$) и фторид-ион ($F^-$). Этот процесс является обратимым и описывается следующим уравнением:

$HF + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + F^-$

Из-за увеличения концентрации ионов гидроксония ($H_3O^+$) в растворе, среда становится кислотной (водородный показатель $pH < 7$). Поэтому водный раствор фтороводорода, известный как плавиковая кислота, имеет кислотную реакцию.

Щелочная реакция водного раствора аммиака

При растворении в воде аммиак ($NH_3$) ведет себя как основание. Атом азота в молекуле аммиака имеет неподеленную электронную пару, благодаря которой он способен присоединять протон ($H^+$) от молекулы воды. В результате образуется ион аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ион ($OH^-$). Этот процесс также является обратимым:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Из-за увеличения концентрации гидроксид-ионов ($OH^-$) в растворе, среда становится щелочной (водородный показатель $pH > 7$). Поэтому водный раствор аммиака, известный как гидрат аммиака или нашатырный спирт, имеет щелочную реакцию.

Ответ: Водный раствор фтороводорода имеет кислотную реакцию среды, потому что фтороводород ($HF$) диссоциирует в воде, образуя избыток ионов гидроксония ($H_3O^+$), что характерно для кислот. Водный раствор аммиака имеет щелочную реакцию, так как аммиак ($NH_3$) взаимодействует с водой, принимая от нее протон и образуя избыток гидроксид-ионов ($OH^-$), что характерно для оснований.

3. Чем отличаются выражения «сильная кислота» и «кислота – сильный окислитель»? Ответ проиллюстрируйте примерами.

Выражения «сильная кислота» и «кислота — сильный окислитель» описывают два разных, не всегда связанных между собой химических свойства вещества. «Сила» кислоты относится к ее кислотно-основным свойствам, а «окислительная способность» — к ее окислительно-восстановительным свойствам.

Сильная кислота

Это характеристика, описывающая способность кислоты диссоциировать (распадаться на ионы) в водном растворе. Сильная кислота — это кислота, которая при растворении в воде практически полностью отдает свои протоны ($H^+$) молекулам воды, образуя ионы гидроксония ($H_3O^+$) и анион кислотного остатка. Степень диссоциации ($\alpha$) у сильных кислот близка к 100%.

Это свойство определяет высокую кислотность раствора и типичные реакции кислот, такие как нейтрализация оснований или взаимодействие с активными металлами с выделением водорода.

Пример: соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой. В воде она практически полностью диссоциирует:

$HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-$

Как сильная кислота, она бурно реагирует со щелочами:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Ответ: Сильная кислота — это кислота, которая почти полностью диссоциирует на ионы в водном растворе.

Кислота — сильный окислитель

Это характеристика, описывающая способность кислоты участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, активно принимая электроны (то есть окисляя другие вещества). В таких кислотах окислителем выступает не ион водорода ($H^+$), а атом элемента в кислотном остатке, находящийся в высокой положительной степени окисления (например, $N^{+5}$ в $HNO_3$, $S^{+6}$ в концентрированной $H_2SO_4$).

Такие кислоты могут окислять вещества, которые не реагируют с кислотами-неокислителями, например, малоактивные металлы (медь, серебро) и неметаллы. Продуктом восстановления кислоты при этом является не водород, а соединение, в котором центральный атом понизил свою степень окисления.

Пример: азотная кислота ($HNO_3$) является сильным окислителем за счет атома азота в степени окисления +5. Она окисляет медь, которая не реагирует с соляной кислотой:

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

В этой реакции $N^{+5}$ принимает электрон и восстанавливается до $N^{+4}$.

Ответ: Кислота — сильный окислитель — это кислота, способная активно окислять другие вещества за счет своего кислотного остатка, а не за счет ионов водорода.

Таким образом, эти два понятия не являются синонимами. Кислота может быть:

• Сильной кислотой, но не сильным окислителем. Пример — соляная кислота ($HCl$). Она полностью диссоциирует, но ее окислительная способность ограничена ионами $H^+$, поэтому она не может окислить медь ($Cu + HCl \rightarrow$ реакции нет).
• Сильной кислотой и сильным окислителем. Пример — азотная кислота ($HNO_3$). Она и полностью диссоциирует, и является сильным окислителем за счет нитрат-иона.
• Слабой кислотой, но сильным окислителем. Хотя это менее распространено, примером может служить хромовая кислота ($H_2CrO_4$), которая является очень сильным окислителем, но по силе относится к кислотам средней силы.

Ответ: Ключевое различие в том, что «сильная кислота» — это характеристика способности к диссоциации (кислотно-основное свойство), а «кислота — сильный окислитель» — характеристика способности принимать электроны (окислительно-восстановительное свойство). Эти свойства не всегда совпадают: например, $HCl$ — сильная кислота, но не сильный окислитель, а $HNO_3$ — и сильная кислота, и сильный окислитель.

4. Какие два летучих водородных соединения 2-го периода взаимодействуют друг с другом? Напишите уравнение реакции.

Решение

Для ответа на этот вопрос рассмотрим летучие водородные соединения, образованные неметаллами 2-го периода периодической системы Д. И. Менделеева. Элементы-неметаллы 2-го периода – это бор (B), углерод (C), азот (N), кислород (O) и фтор (F).

Их летучие водородные соединения:

• Диборан – $B_2H_6$ (простейший бороводород)
• Метан – $CH_4$
• Аммиак – $NH_3$
• Вода – $H_2O$
• Фтороводород – $HF$

Чтобы определить, какие из этих соединений взаимодействуют, необходимо проанализировать их химические свойства, в частности, кислотно-основные. В периоде слева направо кислотные свойства водородных соединений неметаллов усиливаются, а основные – ослабевают.

• $CH_4$ (метан) – неполярное, химически инертное соединение, не проявляет заметных кислотно-основных свойств.
• $NH_3$ (аммиак) – проявляет свойства основания за счёт неподелённой электронной пары у атома азота.
• $H_2O$ (вода) – амфотерное соединение, то есть может быть и кислотой, и основанием.
• $HF$ (фтороводород) – проявляет выраженные кислотные свойства.
• $B_2H_6$ (диборан) – является кислотой Льюиса (акцептор электронной пары).

Наиболее ярко выраженная реакция будет протекать между соединением с сильными основными свойствами и соединением с сильными кислотными свойствами. В данном ряду это аммиак ($NH_3$) и фтороводород ($HF$).

Аммиак, как основание, реагирует с кислотой – фтороводородом. В результате этой реакции образуется соль – фторид аммония ($NH_4F$) по донорно-акцепторному механизму. Атом азота в аммиаке предоставляет свою неподеленную электронную пару, а атом водорода во фтороводороде (в виде протона $H^+$) её принимает.

Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$NH_3 + HF \rightarrow NH_4F$

Также возможна реакция диборана с аммиаком, но она более сложная и зависит от условий. Реакция аммиака и фтороводорода является классическим примером кислотно-основного взаимодействия между летучими водородными соединениями одного периода.

Ответ: Два летучих водородных соединения 2-го периода, которые взаимодействуют друг с другом, – это аммиак ($NH_3$) и фтороводород ($HF$). Уравнение реакции: $NH_3 + HF \rightarrow NH_4F$.

5. Препарат, который вы видите на фотографии (рис. 123), был синтезирован в Московском университете в 1867 г. Запишите истинную и простейшую формулу соединения, если известно, что оно содержит 10,9% фосфора и 89,1% иода по массе, а его молярная масса равна 570 г/моль. Назовите вещество, определите тип связи в молекуле. Изобразите структурную формулу соединения, зная, что все связи в нём одинарные.

Рис. 123. Препарат, полученный в Московском университете

Рис. 124. Нитевидные кристаллы никеля, полученные в МГУ в 2008 г.

Дано:

Массовая доля фосфора $\omega(P) = 10,9\% = 0,109$

Массовая доля иода $\omega(I) = 89,1\% = 0,891$

Молярная масса соединения $M(P_xI_y) = 570 \text{ г/моль}$

Найти:

Простейшую и истинную формулы, название вещества, тип связи в молекуле, структурную формулу соединения.

Решение:

Запишите истинную и простейшую формулу соединения

1. Сначала определим простейшую (эмпирическую) формулу вещества. Для этого найдем соотношение количеств вещества (молей) фосфора и иода. Допустим, у нас есть 100 г соединения, тогда масса фосфора и иода в нём будет:

$m(P) = 100 \text{ г} \cdot 0,109 = 10,9 \text{ г}$

$m(I) = 100 \text{ г} \cdot 0,891 = 89,1 \text{ г}$

Используя молярные массы элементов ($A_r(P) \approx 31 \text{ г/моль}$, $A_r(I) \approx 127 \text{ г/моль}$), вычислим количество вещества каждого элемента:

$n(P) = \frac{m(P)}{A_r(P)} = \frac{10,9 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} \approx 0,352 \text{ моль}$

$n(I) = \frac{m(I)}{A_r(I)} = \frac{89,1 \text{ г}}{127 \text{ г/моль}} \approx 0,702 \text{ моль}$

Найдем соотношение атомов в формуле, разделив полученные количества вещества на наименьшее из них (0,352 моль):

$x : y = n(P) : n(I) = 0,352 : 0,702 \approx \frac{0,352}{0,352} : \frac{0,702}{0,352} \approx 1 : 1,99 \approx 1 : 2$

Таким образом, простейшая формула соединения — $PI_2$.

2. Теперь определим истинную (молекулярную) формулу. Вычислим молярную массу, соответствующую простейшей формуле:

$M(PI_2) = A_r(P) + 2 \cdot A_r(I) = 31 + 2 \cdot 127 = 285 \text{ г/моль}$

Сравним вычисленную молярную массу с истинной молярной массой, данной в условии:

$N = \frac{M(\text{истинная})}{M(PI_2)} = \frac{570 \text{ г/моль}}{285 \text{ г/моль}} = 2$

Коэффициент N показывает, во сколько раз истинная формула "больше" простейшей. Умножим индексы в простейшей формуле на 2: $(PI_2)_2 = P_2I_4$.

Ответ: Простейшая формула — $PI_2$, истинная формула — $P_2I_4$.

Назовите вещество, определите тип связи в молекуле

Вещество с формулой $P_2I_4$ является бинарным соединением, состоящим из двух неметаллов. Его систематическое название — тетраиодид дифосфора.

Связь в молекуле образована атомами неметаллов: фосфора и иода. В молекуле $P_2I_4$ присутствуют два типа ковалентной связи:

1. Связь между двумя одинаковыми атомами фосфора (P–P) является ковалентной неполярной.

2. Связь между атомами фосфора и иода (P–I) является ковалентной полярной, так как электроотрицательности этих элементов различны (ЭО(P) ≈ 2,19, ЭО(I) ≈ 2,66).

Ответ: Название вещества — тетраиодид дифосфора. Тип связи в молекуле — ковалентная (полярная и неполярная).

Изобразите структурную формулу соединения, зная, что все связи в нём одинарные

Исходя из молекулярной формулы $P_2I_4$ и условия, что все связи в молекуле одинарные, наиболее вероятной структурой является та, в которой два атома фосфора соединены между собой, и к каждому атому фосфора присоединено по два атома иода. В такой структуре валентность фосфора равна III, а иода — I, что соответствует их типичным валентностям.

Структурная формула выглядит следующим образом:

I I

| |

I—P—P—I

Ответ: Структурная формула соединения:

I I

| |

I—P—P—I