Страница 64 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Водный раствор имеет щелочную среду. О присутствии каких ионов это свидетельствует?

Решение

Среда любого водного раствора определяется соотношением концентраций ионов водорода ($H^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$). Эти ионы образуются в результате обратимой диссоциации (автопротолиза) самой воды:

$H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$

Существует три типа среды:

• Нейтральная среда: концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-ионов ($[H^+] = [OH^-]$). Водородный показатель pH = 7.

• Кислая среда: в растворе избыток ионов водорода ($[H^+] > [OH^-]$). Водородный показатель pH < 7.

• Щелочная среда: в растворе избыток гидроксид-ионов ($[OH^-] > [H^+]$). Водородный показатель pH > 7.

Таким образом, если водный раствор имеет щелочную среду, это означает, что в нем концентрация гидроксид-ионов ($OH^-$) превышает концентрацию ионов водорода ($H^+$). Этот избыток гидроксид-ионов и обуславливает щелочные свойства раствора. Подобный избыток может возникнуть при растворении в воде щелочей (например, $NaOH$) или солей, подвергающихся гидролизу с образованием $OH^-$ ионов (например, $Na_2CO_3$).

Ответ: Щелочная среда водного раствора свидетельствует о присутствии и преобладании в нем гидроксид-ионов ($OH^-$).

2. Из приведённого ниже списка выпишите формулы веществ, растворы которых имеют среду:

а) кислотную;

б) щелочную.

$NaCl$, $HCl$, $NaOH$, $HNO_3$, $H_3PO_4$, $H_2SO_4$, $Ba(OH)_2$, $H_2S$, $KNO_3$.

Для определения среды раствора необходимо классифицировать каждое вещество из списка. Среда раствора зависит от того, является ли вещество кислотой, основанием или солью, и от их силы.

• Кислоты в водных растворах диссоциируют с образованием ионов водорода $H^+$, что создает кислотную среду (pH < 7).
• Щёлочи (растворимые основания) в водных растворах диссоциируют с образованием гидроксид-ионов $OH^-$, что создает щелочную среду (pH > 7).
• Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием ($NaCl$, $KNO_3$), не подвергаются гидролизу, и их растворы имеют нейтральную среду (pH ≈ 7).

Проанализируем вещества из списка: $NaCl$, $HCl$, $NaOH$, $HNO_3$, $H_3PO_4$, $H_2SO_4$, $Ba(OH)_2$, $H_2S$, $KNO_3$.

а) кислотную

Кислотную среду образуют все кислоты из списка, так как они увеличивают концентрацию ионов $H^+$ в растворе.

$HCl$ — соляная кислота (сильная)

$HNO_3$ — азотная кислота (сильная)

$H_3PO_4$ — ортофосфорная кислота (средней силы)

$H_2SO_4$ — серная кислота (сильная)

$H_2S$ — сероводородная кислота (слабая)

Ответ: $HCl$, $HNO_3$, $H_3PO_4$, $H_2SO_4$, $H_2S$.

б) щелочную

Щелочную среду образуют растворимые сильные основания (щёлочи), так как они увеличивают концентрацию ионов $OH^-$ в растворе.

$NaOH$ — гидроксид натрия (щёлочь, сильное основание)

$Ba(OH)_2$ — гидроксид бария (щёлочь, сильное основание)

Ответ: $NaOH$, $Ba(OH)_2$.

3. Дождевая вода имеет $pH = 5,6$. Что это значит? Какое вещество, содержащееся в воздухе, при растворении в воде создает эту среду?

Что это значит?

Водородный показатель, или $pH$, является мерой кислотности или щёлочности водного раствора. Шкала $pH$ варьируется от 0 до 14. Растворы со значением $pH = 7$ считаются нейтральными (например, чистая дистиллированная вода). Значения $pH$ меньше 7 указывают на кислую среду, а значения больше 7 — на щелочную (основную) среду.

Поскольку дождевая вода имеет $pH = 5,6$, что меньше 7, это означает, что она является слабокислой. Кислотность обусловлена повышенной концентрацией ионов водорода ($H^+$) по сравнению с чистой водой. Концентрацию ионов водорода можно рассчитать по формуле: $[H^+] = 10^{-pH}$. В данном случае она составляет $10^{-5,6}$ моль/л.

Ответ: Значение $pH = 5,6$ означает, что дождевая вода имеет слабокислую среду из-за повышенного содержания ионов водорода.

Какое вещество, содержащееся в воздухе, при растворении в воде создаёт эту среду?

Веществом, которое создаёт естественную кислотность дождевой воды, является углекислый газ ($CO_2$), который является одной из составных частей атмосферного воздуха. При его растворении в воде образуется слабая угольная кислота ($H_2CO_3$).

Этот процесс можно описать следующими химическими реакциями. Сначала углекислый газ из воздуха растворяется в каплях воды, образуя угольную кислоту:

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Затем угольная кислота, будучи слабой, частично диссоциирует (распадается) в воде на ионы водорода ($H^+$) и гидрокарбонат-ионы ($HCO_3^-$), что и приводит к понижению $pH$:

$H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

Именно наличие в атмосфере углекислого газа приводит к тому, что даже чистая, незагрязненная дождевая вода имеет $pH$ около 5,6, то есть является слабокислой. Более низкие значения $pH$ (кислотные дожди) могут быть вызваны промышленными выбросами оксидов серы и азота.

Ответ: Эту среду создает углекислый газ ($CO_2$), который при растворении в воде образует угольную кислоту ($H_2CO_3$).

4. В состав каменного угля, используемого на теплоэлектростанциях, входят соединения азота и серы. Выброс в атмосферу продуктов его сжигания приводит к выпадению кислотных дождей, содержащих небольшие количества азотной или серной кислот. Какие значения $pH$ имеет кислотная дождевая вода — больше или меньше 7,0?

Решение

Водородный показатель, или pH, является мерой кислотности водного раствора. Шкала pH определяет характер среды: растворы с pH < 7,0 являются кислотными, с pH = 7,0 — нейтральными, а с pH > 7,0 — щелочными (основными).

Согласно условию, при сжигании каменного угля в атмосферу попадают оксиды серы и азота. Эти оксиды, взаимодействуя с атмосферной влагой (водой), образуют кислоты.

1. Оксиды серы, в первую очередь диоксид серы $SO_2$ и триоксид серы $SO_3$, реагируют с водой с образованием сернистой $H_2SO_3$ и серной $H_2SO_4$ кислот:

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

2. Оксиды азота, например диоксид азота $NO_2$, реагируют с водой с образованием азотной $HNO_3$ и азотистой $HNO_2$ кислот:

$2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2$

Появление в дождевой воде сильных кислот, таких как серная ($H_2SO_4$) и азотная ($HNO_3$), приводит к увеличению концентрации ионов водорода ($H^+$) за счет их диссоциации:

$H_2SO_4 \rightleftharpoons 2H^+ + SO_4^{2-}$

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

Чем выше концентрация ионов водорода ($H^+$) в растворе, тем ниже его значение pH. Следовательно, дождевая вода, содержащая эти кислоты, становится кислотной.

Ответ: Значение pH кислотной дождевой воды меньше 7,0.

Лабораторный опыт 2. Сравнение окраски индикаторов в разных средах. Определение кислотности среды

1. В три пробирки налейте примерно по 1 мл раствора лакмуса. В первую пробирку добавьте каплю соляной кислоты, вторую оставьте для сравнения, а в третью добавьте каплю раствора гидроксида натрия. Отметьте изменение окраски раствора. Аналогичный опыт проделайте с метилоранжем и фенолфталеином. Результаты наблюдений занесите в таблицу 7.

Изменение окраски индикаторов в различных средах Таблица 7

2.Запишите в тетрадь состав выданных вам растворов и пронумеруйте их. В первый раствор опустите стеклянную палочку, затем прикоснитесь ею к полоске индикаторной бумаги и сравните полученную окраску со шкалой. Значение $pH$ запишите в тетрадь. Промойте палочку водой и проведите исследование остальных растворов. Какие из них являются нейтральными, кислотными, щелочными?

1. В ходе лабораторного опыта исследуется изменение окраски трех индикаторов (лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина) в трех средах: кислотной (добавление раствора соляной кислоты, $HCl$), нейтральной (исходный раствор индикатора в воде) и щелочной (добавление раствора гидроксида натрия, $NaOH$). Результаты наблюдений занесены в таблицу 7.

Ответ: В кислотной среде лакмус и метилоранж становятся красными, а фенолфталеин остается бесцветным. В нейтральной среде лакмус имеет фиолетовый цвет, метилоранж — оранжевый, а фенолфталеин — бесцветный. В щелочной среде лакмус становится синим, метилоранж — желтым, а фенолфталеин приобретает малиновую окраску.

2. Для выполнения этого задания предположим, что выданные для исследования растворы — это те же вещества, которые использовались для создания различных сред в пункте 1.

Решение

Состав выданных и пронумерованных растворов:

1. Раствор соляной кислоты ($HCl$).
2. Дистиллированная вода ($H_2O$).
3. Раствор гидроксида натрия ($NaOH$).

Процесс определения кислотности каждого раствора с помощью универсальной индикаторной бумаги и классификация сред будут следующими:

1. Опустить чистую стеклянную палочку в первый раствор (соляная кислота). Затем прикоснуться палочкой к полоске универсальной индикаторной бумаги. Бумага окрасится в красный цвет. Сравнив полученную окраску со шкалой $pH$, можно определить, что водородный показатель $pH < 7$ (обычно для лабораторных растворов $pH \approx 1-2$). Следовательно, это кислотная среда.
2. Тщательно промыть стеклянную палочку дистиллированной водой и просушить ее. Опустить чистую палочку во второй раствор (вода). Прикоснуться к новой полоске индикаторной бумаги. Ее цвет либо не изменится, либо станет желто-зеленым, что соответствует $pH = 7$. Следовательно, это нейтральная среда.
3. Снова промыть и просушить стеклянную палочку. Опустить ее в третий раствор (гидроксид натрия). Прикоснуться к новой полоске индикаторной бумаги. Она окрасится в синий или темно-синий цвет, что соответствует $pH > 7$ (обычно для лабораторных растворов $pH \approx 12-13$). Следовательно, это щелочная среда.

Ответ: По результатам измерения $pH$ с помощью индикаторной бумаги, раствор №1 (соляная кислота) является кислотным, раствор №2 (вода) — нейтральным, а раствор №3 (гидроксид натрия) — щелочным.