Страница 235 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

6. На рисунке 124 приведена микрофотография нитевидных кристаллов никеля, выращенных в пористом оксиде алюминия. Такие металлические нити обладают высокой прочностью — они не гнутся и не ломаются. Предложите химический способ очистки этих кристаллов от оксида алюминия.

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

Решение

Задача состоит в том, чтобы найти химический способ удаления матрицы из оксида алюминия ($Al_2O_3$), не повредив при этом нитевидные кристаллы металлического никеля ($Ni$). Для этого необходимо использовать реагент, который избирательно реагирует с одним веществом, но не реагирует с другим.

Ключевым для решения является различие в химических свойствах оксида алюминия и никеля.

1. Оксид алюминия ($Al_2O_3$) — амфотерный оксид. Это значит, что он способен реагировать как с кислотами, так и с сильными основаниями (щелочами).

2. Никель ($Ni$) — металл средней активности. Он не реагирует с растворами щелочей. С кислотами (особенно с кислотами-окислителями, такими как азотная кислота) никель может вступать в реакцию.

Исходя из этих свойств, наиболее подходящим методом очистки является обработка смеси раствором сильной щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$) или гидроксида калия ($KOH$).

При обработке щёлочью оксид алюминия растворится, так как он вступает в реакцию с образованием растворимого в воде комплексного соединения — тетрагидроксоалюмината натрия:

$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

Металлический никель при этом не будет взаимодействовать со щёлочью и останется в неизменном виде:

$Ni + NaOH(р-р) \rightarrow \text{реакция не идёт}$

Таким образом, после проведения реакции матрица из оксида алюминия будет полностью растворена, а освобождённые нитевидные кристаллы никеля можно будет отделить от раствора (например, фильтрованием или декантацией), промыть дистиллированной водой для удаления остатков щёлочи и продуктов реакции, а затем высушить.

Использование сильных кислот не является оптимальным решением, так как они могут частично или полностью растворить и сами никелевые кристаллы.

Ответ: Для очистки нитевидных кристаллов никеля от оксида алюминия необходимо обработать образец концентрированным раствором щёлочи (например, гидроксида натрия $NaOH$). В результате реакции оксид алюминия растворится, а кристаллы никеля останутся в неизменном виде.

*7. Смесь оксидов калия, магния и алюминия массой 7,6 г прореагировала с избытком раствора серной кислоты. При этом образовалось 19,6 г смеси сульфатов. Найдите массу образовавшейся воды.

Дано:

$m(смеси\ оксидов) = 7,6\ г$

$m(смеси\ сульфатов) = 19,6\ г$

Найти:

$m(H_2O) - ?$

Решение:

Запишем уравнения реакций взаимодействия оксидов калия ($K_2O$), магния ($MgO$) и алюминия ($Al_2O_3$) с избытком серной кислоты ($H_2SO_4$):

$K_2O + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$

$MgO + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O$

$Al_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O$

В ходе этих реакций происходит замещение атомов кислорода в оксидах на сульфатные группы ($SO_4^{2-}$) из серной кислоты. При этом атомы кислорода из оксидов соединяются с атомами водорода из кислоты, образуя воду. Таким образом, масса смеси увеличивается за счет того, что каждый атом кислорода ($O$) заменяется на сульфатную группу ($SO_4$).

Найдем разницу в массе между смесью сульфатов и исходной смесью оксидов:

$\Delta m = m(сульфатов) - m(оксидов) = 19,6\ г - 7,6\ г = 12,0\ г$

Эта разница масс обусловлена заменой всех атомов кислорода в оксидах на сульфатные группы. Пусть $n$ — общее количество вещества (моль) атомов кислорода в исходной смеси оксидов. Тогда количество вещества сульфатных групп, заместивших кислород, также равно $n$.

Разницу масс можно выразить через количество вещества $n$ и молярные массы атомарного кислорода $M(O)$ и сульфатной группы $M(SO_4)$:

$\Delta m = n \cdot M(SO_4) - n \cdot M(O) = n \cdot (M(SO_4) - M(O))$

Рассчитаем молярные массы (используя округленные атомные массы: $S \approx 32\ г/моль, O \approx 16\ г/моль$):

$M(O) = 16 \ г/моль$

$M(SO_4) = M(S) + 4 \cdot M(O) = 32 + 4 \cdot 16 = 96 \ г/моль$

Подставим известные значения в уравнение и найдем $n$:

$12,0\ г = n \cdot (96\ г/моль - 16\ г/моль)$

$12,0\ г = n \cdot 80\ г/моль$

$n = \frac{12,0\ г}{80\ г/моль} = 0,15\ моль$

Из уравнений реакций видно, что из каждого атома кислорода в оксидах образуется одна молекула воды. Следовательно, количество вещества образовавшейся воды $n(H_2O)$ равно общему количеству вещества атомов кислорода в оксидах:

$n(H_2O) = n = 0,15\ моль$

Теперь можем найти массу образовавшейся воды, зная ее молярную массу ($H \approx 1\ г/моль, O \approx 16\ г/моль$):

$M(H_2O) = 2 \cdot M(H) + M(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18\ г/моль$

$m(H_2O) = n(H_2O) \cdot M(H_2O) = 0,15\ моль \cdot 18\ г/моль = 2,7\ г$

Ответ: масса образовавшейся воды составляет 2,7 г.

8. В двух склянках без этикеток находятся растворы сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) и гидроксида натрия ($NaOH$). Как можно определить содержимое каждой склянки, не имея реактивов, а используя только одну пустую пробирку?

Решение

Для определения содержимого склянок необходимо воспользоваться тем фактом, что эти два вещества реагируют друг с другом с образованием осадка, который может растворяться при определенных условиях. Реакция между сульфатом алюминия $Al_2(SO_4)_3$ и гидроксидом натрия $NaOH$ приводит к образованию гидроксида алюминия $Al(OH)_3$ — белого студенистого осадка. Этот осадок является амфотерным, то есть он способен растворяться в избытке сильной щелочи (в данном случае, $NaOH$).

Алгоритм эксперимента следующий: нужно взять пустую пробирку, налить в нее небольшое количество раствора из первой склянки и затем медленно, по каплям, приливать раствор из второй склянки, внимательно наблюдая за изменениями.

Возможны два исхода:

1. Если в пробирку был налит раствор сульфата алюминия, а добавляется раствор гидроксида натрия, то сначала будет наблюдаться образование белого осадка. При дальнейшем добавлении раствора гидроксида натрия этот осадок растворится, так как щелочь окажется в избытке. Раствор снова станет прозрачным.

Уравнения реакций для этого случая:

Образование осадка: $Al_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$

Растворение осадка в избытке щелочи: $Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$ (образуется растворимый тетрагидроксоалюминат натрия)

2. Если же в пробирку изначально был налит раствор гидроксида натрия, а добавлялся раствор сульфата алюминия, то при добавлении первых же капель образуется белый осадок. Однако, при дальнейшем добавлении раствора сульфата алюминия осадок не растворится, а его количество будет только увеличиваться, так как избытка щелочи для его растворения создано не будет.

Таким образом, по растворимости образовавшегося осадка в избытке приливаемого раствора можно однозначно идентифицировать содержимое каждой склянки.

Ответ:

Нужно в пустую пробирку налить немного раствора из одной склянки, а затем по каплям добавлять раствор из второй склянки. Если сначала выпадает осадок, который затем растворяется в избытке добавляемого реагента, то в пробирке был раствор сульфата алюминия, а добавляли раствор гидроксида натрия. Если же осадок выпадает и не растворяется при дальнейшем добавлении второго раствора, то в пробирке был раствор гидроксида натрия, а добавляли раствор сульфата алюминия.

*9. Имеются три одинаковые колбы, одна из которых заполнена углекислым газом, вторая — азотом, третья — аргоном. Колба, заполненная азотом, на 16 г легче колбы с углекислым газом. Найдите массу газа в третьей колбе.

Дано:

Колба 1: углекислый газ ($CO_2$)

Колба 2: азот ($N_2$)

Колба 3: аргон ($Ar$)

Колбы одинаковые ($V_1=V_2=V_3=V$)

Условия в колбах одинаковые ($p, T$ = const)

Разница масс: $\Delta m = m_{\text{колбы с } CO_2} - m_{\text{колбы с } N_2} = 16 \text{ г}$

Перевод в систему СИ:

$\Delta m = 0.016 \text{ кг}$

Найти:

$m_{Ar}$ — ?

Решение:

Обозначим массу пустой колбы как $m_{\text{к}}$. Тогда масса колбы с углекислым газом равна $m_1 = m_{\text{к}} + m_{CO_2}$, а масса колбы с азотом равна $m_2 = m_{\text{к}} + m_{N_2}$.

Согласно условию задачи, разница их масс составляет 16 г. Так как массы самих колб одинаковы, они вычитаются друг из друга:

$m_1 - m_2 = (m_{\text{к}} + m_{CO_2}) - (m_{\text{к}} + m_{N_2}) = m_{CO_2} - m_{N_2} = 16 \text{ г}$.

Поскольку все три колбы одинаковые (имеют одинаковый объем $V$) и, как можно предположить, газы в них находятся при одинаковых условиях (температуре $T$ и давлении $p$), то согласно закону Авогадро, они содержат одинаковое количество вещества ($\nu$).

$\nu_{CO_2} = \nu_{N_2} = \nu_{Ar} = \nu$.

Масса газа ($m$) связана с количеством вещества ($\nu$) и молярной массой ($M$) формулой $m = \nu \cdot M$.

Подставим это выражение в уравнение для разницы масс газов:

$\nu \cdot M_{CO_2} - \nu \cdot M_{N_2} = 16 \text{ г}$

Вынесем $\nu$ за скобки:

$\nu (M_{CO_2} - M_{N_2}) = 16 \text{ г}$

Вычислим молярные массы необходимых газов, используя периодическую таблицу химических элементов (округляя атомные массы до целых чисел):

Молярная масса углекислого газа $CO_2$: $M_{CO_2} = M(C) + 2 \cdot M(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.

Молярная масса азота $N_2$: $M_{N_2} = 2 \cdot M(N) = 2 \cdot 14 = 28 \text{ г/моль}$.

Теперь из полученного уравнения найдем количество вещества $\nu$:

$\nu = \frac{16 \text{ г}}{M_{CO_2} - M_{N_2}} = \frac{16 \text{ г}}{44 \text{ г/моль} - 28 \text{ г/моль}} = \frac{16 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 1 \text{ моль}$.

Зная, что количество вещества аргона в третьей колбе также равно $1 \text{ моль}$, мы можем найти его массу.

Молярная масса аргона $Ar$ (одноатомный газ): $M_{Ar} \approx 40 \text{ г/моль}$.

$m_{Ar} = \nu \cdot M_{Ar} = 1 \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = 40 \text{ г}$.

Ответ: масса газа в третьей колбе (аргона) составляет 40 г.

1. Пользуясь справочной литературой, определите тип кристаллической решётки простых веществ, образованных элементами 2-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева. Сделайте вывод о том, как меняется тип кристаллической решётки с ростом порядкового номера элемента в периоде. Дайте объяснение этому факту.

Элементы 2-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева и типы кристаллических решёток их простых веществ:

• Литий (Li, Z=3): простое вещество — литий. Является щелочным металлом. Тип кристаллической решётки — металлическая. Атомы лития в узлах решётки связаны обобществлёнными валентными электронами («электронным газом»).
• Бериллий (Be, Z=4): простое вещество — бериллий. Является щёлочноземельным металлом. Тип кристаллической решётки — металлическая. Как и у лития, связь в кристалле металлическая.
• Бор (B, Z=5): простое вещество — бор. Является неметаллом. Тип кристаллической решётки — атомная. Атомы бора соединены между собой прочными ковалентными связями, образуя единый гигантский каркас.
• Углерод (C, Z=6): простое вещество — углерод (в виде аллотропных модификаций, например, алмаза и графита). Является неметаллом. Тип кристаллической решётки — атомная. В алмазе каждый атом углерода связан ковалентными связями с четырьмя другими, образуя трёхмерную сетку. В графите атомы образуют прочные слои, которые слабо связаны между собой.
• Азот (N, Z=7): простое вещество — азот. Является неметаллом. В твёрдом состоянии образует молекулярную кристаллическую решётку. Узлы решётки заняты двухатомными молекулами $N_2$, которые удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса).
• Кислород (O, Z=8): простое вещество — кислород. Является неметаллом. В твёрдом состоянии тип кристаллической решётки — молекулярная. В узлах решётки находятся молекулы $O_2$.
• Фтор (F, Z=9): простое вещество — фтор. Является неметаллом (галоген). В твёрдом состоянии тип кристаллической решётки — молекулярная. Узлы решётки заняты молекулами $F_2$.
• Неон (Ne, Z=10): простое вещество — неон. Является инертным газом. В твёрдом состоянии тип кристаллической решётки — молекулярная (атомного типа). В узлах решётки находятся отдельные атомы неона, связанные крайне слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

Вывод:

С ростом порядкового номера элемента во 2-м периоде наблюдается закономерная смена типа кристаллической решётки простых веществ в следующем порядке: металлическая → атомная → молекулярная.

Объяснение:

Эта закономерность напрямую связана с изменением строения атомов и, как следствие, с изменением типа химической связи между ними.

1. В начале периода (Li, Be) находятся элементы-металлы. У них мало валентных электронов, низкие значения энергии ионизации и электроотрицательности. Они легко отдают свои валентные электроны в общее пользование, образуя положительно заряженные ионы и «электронный газ». Такая связь называется металлической и приводит к формированию металлической решётки.
2. В середине периода (B, C) расположены элементы с промежуточным числом валентных электронов. Для них энергетически невыгодно как полностью отдавать электроны, так и принимать недостающие до завершения внешнего слоя. Поэтому они образуют прочные ковалентные связи с соседними атомами, деля с ними свои валентные электроны. Эти связи распространяются по всему кристаллу, создавая гигантскую прочную структуру — атомную кристаллическую решётку.
3. В конце периода (N, O, F, Ne) находятся типичные неметаллы и инертный газ. У них много валентных электронов и высокая электроотрицательность (кроме неона). Они стремятся завершить свой внешний электронный слой до стабильного октета.
   • N, O, F достигают этого, образуя ковалентные связи друг с другом и формируя устойчивые двухатомные молекулы ($N_2$, $O_2$, $F_2$). Внутри этих молекул связь очень прочная, но между самими молекулами в твёрдом веществе действуют лишь слабые межмолекулярные силы. Это приводит к образованию молекулярной решётки.
   • Ne уже имеет завершённый внешний электронный слой. Он не образует химических связей. Его атомы в твёрдом состоянии удерживаются вместе только за счёт крайне слабых сил межмолекулярного взаимодействия, также формируя молекулярную решётку.

Ответ: С ростом порядкового номера элемента во 2-м периоде тип кристаллической решётки простого вещества закономерно сменяется от металлической (Li, Be) к атомной (B, C) и далее к молекулярной (N, O, F, Ne). Это объясняется изменением типа химической связи, которое, в свою очередь, обусловлено увеличением числа валентных электронов и ростом электроотрицательности элементов вдоль периода.

2. Обсудите в классе вопрос, можно ли назвать воду:

а) оксидом;

б) кислотой;

в) летучим водородным соединением.

Аргументируйте ответ.

а) оксидом;

Оксиды — это бинарные (состоящие из двух химических элементов) соединения, одним из которых является кислород в степени окисления -2. Химическая формула воды — $H_2O$. Молекула воды состоит из атомов двух элементов: водорода (H) и кислорода (O). Это полностью соответствует определению оксида. Поэтому вода является оксидом водорода.

Ответ: Да, воду можно назвать оксидом (оксидом водорода), так как это бинарное соединение водорода с кислородом.

б) кислотой;

Согласно протонной теории Брёнстеда-Лоури, кислота — это вещество, способное отдавать протон ($H^+$), а основание — способное принимать протон. Вода проявляет амфотерные свойства, то есть в зависимости от партнера по реакции может вести себя и как кислота, и как основание.

Например, в реакции с аммиаком ($NH_3$), который является более слабым донором протонов, вода выступает в роли кислоты:

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

В реакции же с более сильной кислотой, например, соляной ($HCl$), вода выступает в роли основания, принимая протон:

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

Также вода подвержена процессу автопротолиза (самоионизации), образуя в равных количествах ионы гидроксония $H_3O^+$ (кислотная среда) и гидроксид-ионы $OH^-$ (основная среда), что обеспечивает ее нейтральный pH. Таким образом, называть воду кислотой некорректно, так как это не отражает полноты ее химических свойств.

Ответ: Нет, воду нельзя однозначно назвать кислотой. Правильнее называть ее амфотерным соединением (амфолитом), так как она способна проявлять как кислотные, так и основные свойства.

в) летучим водородным соединением.

Водородные соединения — это соединения различных химических элементов с водородом. Летучими называют вещества, которые легко испаряются, то есть переходят в газообразное состояние. Вода, имеющая формулу $H_2O$, является соединением водорода. При нормальных условиях она является жидкостью, но обладает высокой летучестью — легко испаряется с открытой поверхности даже при комнатной температуре. Её температура кипения (100°C при нормальном давлении) также относительно невысока. В химии к классу летучих водородных соединений относят гидриды неметаллов, такие как $NH_3$, $H_2S$, $HF$, $CH_4$, и вода ($H_2O$) является типичным представителем этого класса.

Ответ: Да, воду можно назвать летучим водородным соединением, поскольку она является соединением водорода с другим элементом и способна легко переходить в газообразное состояние (испаряться).

Лабораторный опыт 13. Сравнение кислотно-основных свойств водородных соединений неметаллов

В пробирки налейте по 1 мл раствора аммиака, воды, соляной кислоты и сероводородной воды. В каждую пробирку добавьте по капле нейтрального раствора метилоранжа. Как изменилась окраска? Сделайте вывод о кислотно-основных свойствах каждого из веществ. Результаты перенесите в таблицу 13.

Таблица 13

Изменение окраски индикаторов в различных средах

Решение

В данном лабораторном опыте исследуются кислотно-основные свойства водных растворов водородных соединений неметаллов: аммиака ($NH_3$), воды ($H_2O$), хлороводорода ($HCl$) и сероводорода ($H_2S$). Для определения характера среды (кислой, нейтральной или щелочной) используется индикатор метилоранж. Его окраска зависит от концентрации ионов водорода ($H^+$) в растворе:

• В кислой среде (pH < 3,1) метилоранж имеет красную окраску.
• В нейтральной среде (pH в интервале 3,1–4,4) — оранжевую.
• В щелочной (основной) среде (pH > 4,4) — желтую.

На основании изменения окраски индикатора можно сделать вывод о свойствах каждого вещества и заполнить таблицу.

Вывод:

Анализ изменения окраски индикатора позволяет сделать следующие выводы о кислотно-основных свойствах исследуемых веществ:

• Раствор аммиака $NH_3$: метилоранж стал желтым, что указывает на щелочную (основную) среду. Это происходит потому, что аммиак, растворяясь в воде, образует гидрат аммиака, который диссоциирует с образованием гидроксид-ионов $OH^-$. Следовательно, аммиак проявляет основные свойства.
• Вода $H_2O$: метилоранж остался оранжевым. Это цвет индикатора в нейтральной среде. Вода является амфотерным соединением, диссоциируя в равной степени на ионы $H^+$ и $OH^-$, поэтому ее среда нейтральна.
• Раствор соляной кислоты $HCl$: метилоранж окрасился в красный цвет, что характерно для кислой среды. Хлороводород — сильная кислота, она полностью диссоциирует в воде на ионы водорода $H^+$ и хлорид-ионы $Cl^-$.
• Раствор сероводородной воды $H_2S$: метилоранж также стал красным, что свидетельствует о кислой среде. Сероводород — слабая кислота, она диссоциирует в воде обратимо и в незначительной степени, но образующихся ионов $H^+$ достаточно для изменения цвета индикатора.

Ответ: