Страница 55 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

10. Пусть M обозначает металл, X — кислотный остаток. Ниже приведены четыре типа уравнений диссоциации солей:

a) $MX \rightarrow M^{2+} + X^{2-}$;

б) $MX_3 \rightarrow M^{3+} + 3X^{-}$;

в) $M_3X \rightarrow 3M^{+} + X^{3-}$;

г) $M_2X_3 \rightarrow 2M^{3+} + 3X^{2-}$.

Приведите по одному примеру соли каждого типа.

Решение

Для каждого типа уравнения диссоциации солей необходимо подобрать соответствующий пример. В этих уравнениях M обозначает катион металла, а X — анион кислотного остатка.

а) Уравнение диссоциации: $MX \rightarrow M^{2+} + X^{2-}$.

Данное уравнение описывает диссоциацию соли, образованной катионом двухвалентного металла ($M^{2+}$) и анионом двухвалентного кислотного остатка ($X^{2-}$). Чтобы подобрать пример, нужно выбрать металл, проявляющий степень окисления +2 (например, $Ca, Ba, Zn, Cu, Fe(II)$), и кислотный остаток с зарядом 2- (например, сульфат $SO_4^{2-}$, сульфид $S^{2-}$, карбонат $CO_3^{2-}$).

В качестве примера возьмем сульфат цинка $ZnSO_4$. Цинк ($Zn$) — двухвалентный металл, а сульфат-ион ($SO_4$) — двухвалентный кислотный остаток. Уравнение диссоциации для этой соли выглядит так: $ZnSO_4 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-}$.

Ответ: Примером соли такого типа является сульфат цинка — $ZnSO_4$.

б) Уравнение диссоциации: $MX_3 \rightarrow M^{3+} + 3X^{-}$.

Это уравнение описывает диссоциацию соли, состоящей из катиона трехвалентного металла ($M^{3+}$) и трех одновалентных анионов ($X^{-}$). Подходящими металлами являются, например, алюминий ($Al$) или железо(III) ($Fe(III)$). В качестве одновалентного кислотного остатка можно взять хлорид-ион ($Cl^{-}$), нитрат-ион ($NO_3^{-}$) или бромид-ион ($Br^{-}$).

В качестве примера возьмем нитрат железа(III) $Fe(NO_3)_3$. Уравнение диссоциации для этой соли: $Fe(NO_3)_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3NO_3^{-}$.

Ответ: Примером соли такого типа является нитрат железа(III) — $Fe(NO_3)_3$.

в) Уравнение диссоциации: $M_3X \rightarrow 3M^{+} + X^{3-}$.

Это уравнение описывает диссоциацию соли, состоящей из трех одновалентных катионов металла ($M^{+}$) и одного трехвалентного аниона ($X^{3-}$). Примерами одновалентных металлов могут служить щелочные металлы, такие как натрий ($Na$) или калий ($K$). Примером трехвалентного кислотного остатка является фосфат-ион ($PO_4^{3-}$).

В качестве примера выберем фосфат калия $K_3PO_4$. Уравнение диссоциации для этой соли: $K_3PO_4 \rightarrow 3K^{+} + PO_4^{3-}$.

Ответ: Примером соли такого типа является фосфат калия — $K_3PO_4$.

г) Уравнение диссоциации: $M_2X_3 \rightarrow 2M^{3+} + 3X^{2-}$.

Данное уравнение описывает диссоциацию соли, образованной двумя трехвалентными катионами металла ($M^{3+}$) и тремя двухвалентными анионами ($X^{2-}$). В качестве металла, проявляющего степень окисления +3, можно взять алюминий ($Al$) или хром(III) ($Cr(III)$). В качестве двухвалентного кислотного остатка подойдет сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) или сульфид-ион ($S^{2-}$).

В качестве примера возьмем сульфат алюминия $Al_2(SO_4)_3$. Уравнение диссоциации для этой соли: $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$.

Ответ: Примером соли такого типа является сульфат алюминия — $Al_2(SO_4)_3$.

11. Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих веществ: гидроксида натрия, серной кислоты, нитрата калия, хлорида магния, сульфата алюминия.

Электролитическая диссоциация — это процесс распада электролита (кислоты, основания или соли) на ионы при его растворении в полярном растворителе, например, в воде. Все перечисленные вещества являются сильными электролитами и в водном растворе диссоциируют практически полностью. Уравнения диссоциации для них записываются с использованием стрелки вправо ($\rightarrow$).

гидроксида натрия

Гидроксид натрия ($NaOH$) — это сильное основание (щёлочь). При растворении в воде он полностью диссоциирует на катион натрия ($Na^+$) и гидроксид-анион ($OH^-$).

Ответ: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$

серной кислоты

Серная кислота ($H_2SO_4$) — это сильная двухосновная кислота. Её диссоциация протекает ступенчато. По первой ступени кислота диссоциирует полностью: $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$. По второй ступени диссоциация является обратимой ($HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$), но так как серная кислота сильная, для упрощения часто записывают суммарное уравнение полного распада на ионы.

Ответ: $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$

нитрата калия

Нитрат калия ($KNO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($HNO_3$). Как сильный электролит, он полностью диссоциирует на катион калия ($K^+$) и нитрат-анион ($NO_3^-$).

Ответ: $KNO_3 \rightarrow K^+ + NO_3^-$

хлорида магния

Хлорид магния ($MgCl_2$) — это соль, являющаяся сильным электролитом. В водном растворе она диссоциирует на один двухзарядный катион магния ($Mg^{2+}$) и два однозарядных хлорид-аниона ($Cl^-$).

Ответ: $MgCl_2 \rightarrow Mg^{2+} + 2Cl^-$

сульфата алюминия

Сульфат алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) — это соль, сильный электролит. При растворении в воде он диссоциирует на два трехзарядных катиона алюминия ($Al^{3+}$) и три двухзарядных сульфат-аниона ($SO_4^{2-}$).

Ответ: $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$

12. Напишите формулу вещества, при диссоциации которого образуются ионы кальция и гидроксид-ионы.

Решение

В задании требуется написать формулу вещества, которое при диссоциации образует ионы кальция и гидроксид-ионы.

Вещества, которые при диссоциации в водных растворах образуют катионы металла и гидроксид-анионы, являются основаниями (гидроксидами).

1. Ион кальция (Ca) является катионом, так как кальций — это металл второй группы периодической системы. Его заряд равен +2. Формула иона кальция: $Ca^{2+}$.

2. Гидроксид-ион — это сложный анион, состоящий из атома кислорода и атома водорода. Его формула и заряд: $OH^{-}$.

3. Чтобы составить формулу вещества, необходимо, чтобы молекула была электронейтральной. Для этого суммарный положительный заряд катионов должен быть равен суммарному отрицательному заряду анионов. На один ион кальция с зарядом +2 должно приходиться два гидроксид-иона с зарядом -1 каждый.

$(+2) + 2 \times (-1) = 0$

Таким образом, формула искомого вещества, гидроксида кальция, — $Ca(OH)_2$.

Уравнение электролитической диссоциации гидроксида кальция выглядит следующим образом:

$Ca(OH)_2 \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2OH^{-}$

Из уравнения видно, что при диссоциации образуются ионы кальция и гидроксид-ионы.

Ответ: $Ca(OH)_2$.

13. Определите валентность и степень окисления кислорода в ионе гидроксония $H_3O^+$.

Валентность кислорода в ионе гидроксония $H_3O^+$

Валентность атома определяется числом химических связей, которые он образует. Ион гидроксония $H_3O^+$ образуется при присоединении протона $H^+$ к молекуле воды $H_2O$. В молекуле воды атом кислорода имеет валентность II, образуя две ковалентные связи с атомами водорода. У атома кислорода также есть две неподеленные электронные пары.

При образовании иона гидроксония атом кислорода предоставляет одну из своих неподеленных электронных пар для формирования третьей ковалентной связи с протоном $H^+$ по донорно-акцепторному механизму. В итоге атом кислорода в ионе $H_3O^+$ оказывается связанным с тремя атомами водорода. Так как все три связи (две обычные ковалентные и одна донорно-акцепторная) учитываются при определении валентности, валентность кислорода в ионе гидроксония равна III.

Ответ: валентность кислорода в ионе гидроксония $H_3O^+$ равна III.

Степень окисления кислорода в ионе гидроксония $H_3O^+$

Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи являются ионными. Для расчета степени окисления (С.О.) кислорода воспользуемся правилами:

1. Сумма степеней окисления всех атомов в многоатомном ионе равна заряду этого иона.

2. Степень окисления водорода в большинстве соединений (кроме гидридов металлов) равна +1.

Обозначим неизвестную степень окисления кислорода за $x$. Ион гидроксония $H_3O^+$ имеет общий заряд +1. Составим и решим уравнение:

$С.О.(O) + 3 \cdot С.О.(H) = +1$

$x + 3 \cdot (+1) = +1$

$x + 3 = 1$

$x = 1 - 3$

$x = -2$

Таким образом, степень окисления атома кислорода в ионе гидроксония составляет -2.

Ответ: степень окисления кислорода в ионе гидроксония $H_3O^+$ равна -2.

14. Напишите уравнения электролитической диссоциации, в результате которой образуются следующие пары ионов:

а) $H^+$ и $NO_3^-$;

б) $Al^{3+}$ и $SO_4^{2-}$;

в) $Ca^{2+}$ и $H_2PO_4^-$.

Решение

Электролитическая диссоциация — это процесс распада электролита (кислоты, основания или соли) на ионы при его растворении или плавлении. Чтобы написать уравнение диссоциации, необходимо сначала составить формулу исходного вещества, исходя из принципа электронейтральности молекулы, согласно которому суммарный заряд всех ионов в формульной единице должен быть равен нулю.

а) Даны ионы: катион водорода $H^{+}$ (заряд +1) и нитрат-анион $NO_3^{-}$ (заряд -1).

Для образования электронейтральной молекулы требуется один катион $H^{+}$ и один анион $NO_3^{-}$. Таким образом, формула вещества — $HNO_3$ (азотная кислота). Азотная кислота является сильным электролитом и полностью диссоциирует в водном растворе.

Уравнение диссоциации:

$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Ответ: $HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

б) Даны ионы: катион алюминия $Al^{3+}$ (заряд +3) и сульфат-анион $SO_4^{2-}$ (заряд -2).

Для соблюдения электронейтральности найдем наименьшее общее кратное для модулей зарядов 3 и 2, оно равно 6. Чтобы получить суммарный положительный заряд +6, необходимо взять 2 катиона $Al^{3+}$. Чтобы получить суммарный отрицательный заряд -6, необходимо взять 3 аниона $SO_4^{2-}$. Следовательно, формула вещества — $Al_2(SO_4)_3$ (сульфат алюминия). Это растворимая соль, которая является сильным электролитом.

Уравнение диссоциации:

$Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$

Ответ: $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$

в) Даны ионы: катион кальция $Ca^{2+}$ (заряд +2) и дигидрофосфат-анион $H_2PO_4^{-}$ (заряд -1).

Для образования электронейтральной молекулы на один катион $Ca^{2+}$ с зарядом +2 должно приходиться два аниона $H_2PO_4^{-}$ с общим зарядом -2 ( $2 \cdot (-1) = -2$ ). Формула вещества — $Ca(H_2PO_4)_2$ (дигидрофосфат кальция). Это кислая соль, которая при растворении в воде диссоциирует на ионы.

Уравнение диссоциации:

$Ca(H_2PO_4)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2H_2PO_4^{-}$

Ответ: $Ca(H_2PO_4)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2H_2PO_4^{-}$

15. Даны правые части уравнений диссоциации:

а) ... $\rightarrow$ $H^+$ + $SO_4^{2-}$;

б) ... $\rightarrow$ $Na^+$ + $SO_3^{2-}$;

в) ... $\rightarrow$ $Ca^{2+}$ + $NO_3^-$;

г) ... $\rightarrow$ $Cu^{2+}$ + $Cl^-$;

д) ... $\rightarrow$ $Fe^{3+}$ + $NO_3^-$;

е) ... $\rightarrow$ $Ba^{2+}$ + $OH^-$.

Расставьте коэффициенты и завершите эти уравнения. Назовите исходные вещества.

а) В правой части уравнения диссоциации находятся катион водорода $H^+$ и сульфат-анион $SO_4^{2-}$. Вещества, диссоциирующие с образованием катионов водорода, являются кислотами. Для составления формулы исходного вещества необходимо, чтобы молекула была электронейтральной, то есть сумма зарядов всех ионов должна быть равна нулю. Заряд сульфат-иона равен -2, а заряд иона водорода +1. Следовательно, для компенсации заряда сульфат-иона требуется два иона водорода. Формула исходной кислоты — $H_2SO_4$. Уравнение диссоциации с расставленными коэффициентами выглядит следующим образом: $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$.

Ответ: Исходное вещество — серная кислота ($H_2SO_4$).

б) В правой части уравнения находятся катион натрия $Na^+$ и сульфит-анион $SO_3^{2-}$. Данные ионы образуются при диссоциации соли. Для составления формулы соли необходимо уравнять заряды: заряд катиона натрия +1, заряд сульфит-аниона -2. Значит, на один сульфит-ион должно приходиться два катиона натрия, чтобы суммарный заряд был равен нулю ($2 \cdot (+1) + (-2) = 0$). Формула соли — $Na_2SO_3$. Завершённое уравнение диссоциации: $Na_2SO_3 \rightarrow 2Na^+ + SO_3^{2-}$.

Ответ: Исходное вещество — сульфит натрия ($Na_2SO_3$).

в) Продуктами диссоциации являются катион кальция $Ca^{2+}$ и нитрат-анион $NO_3^{-}$. Это диссоциация соли. Катион кальция имеет заряд +2, а нитрат-анион — -1. Для образования электронейтральной молекулы на один катион кальция требуется два нитрат-аниона ($(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$). Таким образом, формула исходной соли — $Ca(NO_3)_2$. Полное уравнение реакции: $Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^{-}$.

Ответ: Исходное вещество — нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$).

г) В правой части уравнения находятся катион меди(II) $Cu^{2+}$ и хлорид-анион $Cl^{-}$. Это диссоциация соли. Заряд иона меди равен +2, а хлорид-иона — -1. Чтобы молекула была нейтральной, на один ион меди должно приходиться два хлорид-иона ($(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$). Формула соли — $CuCl_2$. Уравнение диссоциации в завершённом виде: $CuCl_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2Cl^{-}$.

Ответ: Исходное вещество — хлорид меди(II) ($CuCl_2$).

д) Продукты диссоциации — катион железа(III) $Fe^{3+}$ и нитрат-анион $NO_3^{-}$. Это также диссоциация соли. Заряд катиона железа +3, а нитрат-аниона -1. Для достижения электронейтральности молекулы на один катион железа(III) необходимо три нитрат-аниона ($(+3) + 3 \cdot (-1) = 0$). Формула соли — $Fe(NO_3)_3$. Полное уравнение диссоциации: $Fe(NO_3)_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3NO_3^{-}$.

Ответ: Исходное вещество — нитрат железа(III) ($Fe(NO_3)_3$).

е) В правой части уравнения находятся катион бария $Ba^{2+}$ и гидроксид-анион $OH^{-}$. Вещества, диссоциирующие с образованием гидроксид-ионов, являются основаниями. Заряд катиона бария +2, а гидроксид-иона -1. Для составления нейтральной молекулы на один катион бария необходимо два гидроксид-иона ($(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$). Формула основания — $Ba(OH)_2$. Завершённое уравнение диссоциации: $Ba(OH)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2OH^{-}$.

Ответ: Исходное вещество — гидроксид бария ($Ba(OH)_2$).

16. В растворе присутствуют ионы $K^+$, $Mg^{2+}$, $NO_3^-$, $SO_4^{2-}$. Какие вещества были растворены? Предложите два варианта ответа.

Решение

Для того чтобы в растворе одновременно присутствовали катионы $K^{+}$ и $Mg^{2+}$, а также анионы $NO_3^{-}$ и $SO_4^{2-}$, необходимо растворить в воде вещества, которые при диссоциации образуют именно эти ионы. Самый простой способ — это растворить две растворимые соли. При этом, катион одной соли должен быть скомбинирован с анионом другой, и наоборот, чтобы получить все четыре иона. Важно, чтобы исходные соли и продукты их возможной реакции обмена были растворимы в воде (что в данном случае выполняется для всех комбинаций).

Рассмотрим два возможных варианта.

Вариант 1

Можно взять соли, образованные "крест-накрест": катион калия с нитрат-анионом и катион магния с сульфат-анионом. Это нитрат калия ($KNO_3$) и сульфат магния ($MgSO_4$). Обе соли хорошо растворимы в воде.

При растворении они диссоциируют на ионы следующим образом:

$KNO_3 \rightarrow K^+ + NO_3^-$

$MgSO_4 \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-}$

В итоге в растворе будут находиться все требуемые ионы: $K^+$, $Mg^{2+}$, $NO_3^-$ и $SO_4^{2-}$.

Ответ: нитрат калия ($KNO_3$) и сульфат магния ($MgSO_4$).

Вариант 2

Можно взять другую пару солей: катион калия с сульфат-анионом и катион магния с нитрат-анионом. Это сульфат калия ($K_2SO_4$) и нитрат магния ($Mg(NO_3)_2$). Эти соли также хорошо растворимы в воде.

Их диссоциация в водном растворе:

$K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$

$Mg(NO_3)_2 \rightarrow Mg^{2+} + 2NO_3^-$

Эта комбинация также обеспечивает наличие в растворе всех четырех указанных ионов.

Ответ: сульфат калия ($K_2SO_4$) и нитрат магния ($Mg(NO_3)_2$).

*17. Водный раствор содержит 0,8 моль ионов $K^+$, 0,5 моль ионов $Mg^{2+}$ и ионы $NO_3^-$. Чему равно количество ионов $NO_3^-$?

Дано:

Количество вещества ионов калия $n(K^+) = 0,8 \text{ моль}$

Количество вещества ионов магния $n(Mg^{2+}) = 0,5 \text{ моль}$

В растворе также присутствуют нитрат-ионы $NO_3^-$

Найти:

Количество вещества нитрат-ионов $n(NO_3^-)$

Решение:

Раствор является электронейтральной системой, что означает, что суммарный положительный заряд всех катионов равен по абсолютной величине суммарному отрицательному заряду всех анионов. Это называется принципом электронейтральности раствора.

1. Рассчитаем суммарный заряд, создаваемый катионами (положительно заряженными ионами). В растворе присутствуют катионы калия $K^+$ с зарядом $+1$ и катионы магния $Mg^{2+}$ с зарядом $+2$.

Суммарное количество моль положительных зарядов равно:

$n_{положит.} = n(K^+) \cdot |+1| + n(Mg^{2+}) \cdot |+2|$

Подставим данные из условия задачи:

$n_{положит.} = 0,8 \text{ моль} \cdot 1 + 0,5 \text{ моль} \cdot 2 = 0,8 \text{ моль} + 1,0 \text{ моль} = 1,8 \text{ моль}$

2. Согласно принципу электронейтральности, суммарное количество моль отрицательных зарядов должно быть равно суммарному количеству моль положительных зарядов:

$n_{отриц.} = n_{положит.} = 1,8 \text{ моль}$

3. В растворе единственным видом анионов (отрицательно заряженных ионов) являются нитрат-ионы $NO_3^-$. Заряд каждого нитрат-иона равен $-1$.

Суммарное количество моль отрицательных зарядов связано с количеством вещества нитрат-ионов следующим образом:

$n_{отриц.} = n(NO_3^-) \cdot |-1|$

Отсюда мы можем найти количество вещества нитрат-ионов:

$n(NO_3^-) = \frac{n_{отриц.}}{|-1|} = \frac{1,8 \text{ моль}}{1} = 1,8 \text{ моль}$

Ответ: количество ионов $NO_3^-$ равно 1,8 моль.