Страница 65 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Зависит ли $pH$ раствора сильной кислоты от её концентрации? Ответ обоснуйте.

Да, pH раствора сильной кислоты напрямую зависит от её концентрации.

Обоснование:

Водородный показатель, или pH, является мерой кислотности водного раствора и определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода $H^+$.

$pH = -\lg[H^+]$

Сильные кислоты — это кислоты, которые в водных растворах диссоциируют (распадаются на ионы) полностью. Это значит, что для одноосновной сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или азотной ($HNO_3$), концентрация ионов водорода $[H^+]$ в растворе будет равна исходной молярной концентрации самой кислоты $C_{кислоты}$.

Процесс диссоциации можно представить уравнением:

$HA \rightarrow H^+ + A^-$

Следовательно, для сильной кислоты:

$[H^+] = C_{кислоты}$

Подставив это соотношение в формулу для pH, мы получаем прямую математическую зависимость pH от концентрации кислоты:

$pH = -\lg(C_{кислоты})$

Эта формула наглядно показывает, что значение pH изменяется при изменении концентрации кислоты. Например:

• Если концентрация кислоты $C_{кислоты} = 0.1$ моль/л, то $pH = -\lg(0.1) = 1$.

• Если разбавить раствор и концентрация станет $C_{кислоты} = 0.01$ моль/л, то $pH = -\lg(0.01) = 2$.

Таким образом, с увеличением концентрации сильной кислоты её pH уменьшается (раствор становится более кислым), а с уменьшением концентрации — pH увеличивается (раствор становится менее кислым).

Ответ: Да, pH раствора сильной кислоты зависит от её концентрации. Эта зависимость описывается формулой $pH = -\lg(C_{кислоты})$, где $C_{кислоты}$ — молярная концентрация кислоты. Чем выше концентрация кислоты, тем ниже значение pH, и наоборот.

6. Какую окраску имеет лакмус в растворах:

а) $NaOH$;

б) $HCl$;

в) $NaCl$?

Окраска кислотно-основного индикатора лакмуса зависит от среды раствора, которая определяется водородным показателем ($pH$). В кислой среде ($pH < 7$) лакмус становится красным, в нейтральной ($pH = 7$) – фиолетовым, а в щелочной ($pH > 7$) – синим. Для ответа на вопрос необходимо определить среду каждого из предложенных растворов.

а) NaOH

Гидроксид натрия ($NaOH$) является сильным основанием (щёлочью). В водном растворе он полностью диссоциирует на ионы: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$. Наличие в растворе гидроксид-ионов ($OH^-$) обуславливает щелочную среду. Поэтому лакмус в растворе гидроксида натрия приобретает синюю окраску.

Ответ: синий.

б) HCl

Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой. В водном растворе она полностью диссоциирует на ионы: $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$. Наличие в растворе ионов водорода ($H^+$) обуславливает кислую среду. Поэтому лакмус в растворе соляной кислоты приобретает красную окраску.

Ответ: красный.

в) NaCl

Хлорид натрия ($NaCl$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($HCl$). Такие соли не подвергаются гидролизу, так как ни катион ($Na^+$), ни анион ($Cl^-$) не взаимодействуют с водой с образованием ионов $H^+$ или $OH^-$. В результате раствор хлорида натрия имеет нейтральную среду ($pH \approx 7$). В нейтральной среде лакмус сохраняет свою исходную фиолетовую окраску.

Ответ: фиолетовый.

7. Напишите уравнение диссоциации гидроксида бария. Какой цвет имеют лакмус, фенолфталеин и метилоранж в растворе этого вещества?

Решение

Гидроксид бария, химическая формула которого $Ba(OH)_2$, является сильным основанием, растворимым в воде (такие основания называют щелочами). Как сильный электролит, гидроксид бария в водном растворе практически полностью диссоциирует (распадается) на ионы: двухзарядный катион бария ($Ba^{2+}$) и гидроксид-анионы ($OH^−$).

Уравнение диссоциации гидроксида бария имеет вид:

$Ba(OH)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2OH^−$

Наличие в растворе гидроксид-ионов ($OH^−$) создает щелочную среду, для которой значение водородного показателя $pH > 7$. В такой среде стандартные кислотно-основные индикаторы приобретают характерную окраску:

• Лакмус в щелочной среде изменяет свою фиолетовую окраску на синюю.
• Фенолфталеин, бесцветный в нейтральной и кислой средах, в щелочной среде становится малиновым.
• Метилоранж (метиловый оранжевый) в щелочной среде изменяет свою оранжевую окраску на желтую.

Ответ: уравнение диссоциации: $Ba(OH)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2OH^−$; цвет индикаторов в растворе: лакмус — синий, фенолфталеин — малиновый, метилоранж — желтый.

8. В двух пробирках находятся растворы азотной кислоты и нитрата калия. Какой индикатор нужно использовать, чтобы определить, где находится раствор соли?

Решение

В одной пробирке находится раствор азотной кислоты ($HNO_3$), а в другой — раствор нитрата калия ($KNO_3$). Чтобы различить эти два бесцветных раствора, необходимо проанализировать среду каждого из них.

1. Азотная кислота ($HNO_3$) — это сильная кислота. В водном растворе она полностью диссоциирует на ионы водорода ($H^+$) и нитрат-ионы ($NO_3^-$). Наличие ионов $H^+$ создает в растворе кислую среду (pH < 7).

2. Нитрат калия ($KNO_3$) — это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия, $KOH$) и сильной кислотой (азотной кислотой, $HNO_3$). Такие соли не подвергаются гидролизу, и их водные растворы имеют нейтральную среду (pH ≈ 7).

Различие в кислотности (pH) этих растворов позволяет использовать кислотно-основные индикаторы для их идентификации. Наша задача — найти пробирку с нейтральной средой, где и будет находиться раствор соли.

Можно использовать следующие индикаторы:

• Лакмус: В кислой среде (раствор $HNO_3$) он станет красным. В нейтральной среде (раствор соли $KNO_3$) он останется фиолетовым.
• Метиловый оранжевый (метилоранж): В сильнокислой среде (раствор $HNO_3$) он приобретет красный цвет. В нейтральной среде (раствор соли $KNO_3$) он будет жёлтым.
• Универсальный индикатор: В кислоте он окрасится в красный или оранжевый цвет, а в нейтральном растворе соли — в жёлто-зелёный.

Индикатор фенолфталеин в данном случае не поможет, так как он остается бесцветным как в кислой, так и в нейтральной среде. Он меняет цвет на малиновый только в щелочной среде (pH > 8.2).

Следовательно, добавив в обе пробирки, например, лакмус, мы сможем однозначно определить раствор соли по фиолетовому цвету индикатора.

Ответ:

Чтобы определить, где находится раствор соли (нитрата калия), нужно использовать кислотно-основной индикатор, например, лакмус или метиловый оранжевый. В пробирке с раствором соли среда нейтральная, поэтому лакмус будет фиолетовым, а метиловый оранжевый — жёлтым. В пробирке с азотной кислотой среда кислая, и лакмус станет красным, а метиловый оранжевый — красным.

9. В трёх пробирках находятся растворы гидроксида бария, азотной кислоты и нитрата кальция. Как с помощью одного реактива можно распознать эти растворы?

Дано:

В трех пробирках находятся растворы следующих веществ:

1. Гидроксид бария, $Ba(OH)_2$

2. Азотная кислота, $HNO_3$

3. Нитрат кальция, $Ca(NO_3)_2$

Найти:

Один реактив, с помощью которого можно распознать все три раствора.

Решение:

Для того чтобы распознать данные растворы, необходимо выбрать один реактив, который будет давать три различных наблюдаемых эффекта при взаимодействии с каждым из веществ. Таким реактивом может служить раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).

Проведем мысленный эксперимент. Возьмем три пронумерованные пробирки с неизвестными растворами и добавим в каждую из них несколько капель раствора серной кислоты.

1. Взаимодействие с гидроксидом бария ($Ba(OH)_2$)

При добавлении серной кислоты к гидроксиду бария произойдет одновременно две реакции: реакция нейтрализации (кислота + основание) и реакция ионного обмена. В результате будет наблюдаться выпадение обильного белого осадка сульфата бария ($BaSO_4$), а также выделение тепла (экзотермическая реакция).

Уравнение реакции:

$Ba(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2H_2O + Q$

Таким образом, пробирка, в которой при добавлении реактива выпадает белый осадок и происходит нагревание, содержит гидроксид бария.

2. Взаимодействие с азотной кислотой ($HNO_3$)

Серная и азотная кислоты являются сильными кислотами и не вступают в реакцию друг с другом, которая сопровождалась бы видимыми изменениями.

Таким образом, пробирка, в которой не наблюдается никаких видимых изменений, содержит азотную кислоту.

3. Взаимодействие с нитратом кальция ($Ca(NO_3)_2$)

При добавлении серной кислоты к раствору нитрата кальция произойдет реакция ионного обмена, в результате которой образуется малорастворимый сульфат кальция ($CaSO_4$). В пробирке будет наблюдаться образование белого осадка или помутнение раствора. В отличие от реакции с гидроксидом бария, заметного выделения тепла здесь не происходит.

Уравнение реакции:

$Ca(NO_3)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2HNO_3$

Таким образом, пробирка, в которой выпадает белый осадок без заметного нагревания, содержит нитрат кальция.

Ответ:

Для распознавания данных растворов можно использовать раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). В пробирке с гидроксидом бария выпадет белый осадок и выделится тепло; в пробирке с нитратом кальция выпадет белый осадок без выделения тепла; в пробирке с азотной кислотой видимых изменений не произойдет.

10. К раствору, содержащему 1 моль гидроксида калия, прилили фенолфталеин. Изменится ли окраска раствора, если к нему затем добавить соляную кислоту, содержащую:

а) 0,5 моль;

б) 1 моль;

в) 1,5 моль $HCl$?

Сначала определим, какая среда в исходном растворе и как ее окрасит фенолфталеин. Гидроксид калия ($KOH$) — это сильное основание (щелочь). В водном растворе он диссоциирует на ионы: $KOH \leftrightarrow K^{+} + OH^{-}$ Наличие гидроксид-ионов ($OH^{-}$) создает щелочную среду (pH > 7). Фенолфталеин является кислотно-основным индикатором, который в щелочной среде (pH > 8,2) приобретает малиновую окраску, а в нейтральной и кислой среде (pH < 8,2) остается бесцветным. Следовательно, после добавления фенолфталеина к раствору гидроксида калия раствор окрасится в малиновый цвет.

При добавлении соляной кислоты ($HCl$) будет протекать реакция нейтрализации: $KOH + HCl \rightarrow KCl + H_2O$ Соотношение реагентов в этой реакции 1:1. Это означает, что 1 моль $KOH$ полностью реагирует с 1 моль $HCl$.

Дано:

$n(KOH) = 1 \text{ моль}$

Найти:

Изменится ли окраска раствора при добавлении:

а) $n(HCl) = 0,5 \text{ моль}$

б) $n(HCl) = 1 \text{ моль}$

в) $n(HCl) = 1,5 \text{ моль}$

Решение:

а) Добавляем 0,5 моль соляной кислоты. Количество вещества соляной кислоты ($n(HCl) = 0,5 \text{ моль}$) меньше, чем количество вещества гидроксида калия ($n(KOH) = 1 \text{ моль}$). Соляная кислота вступит в реакцию полностью, а гидроксид калия останется в избытке. Количество прореагировавшего $KOH$ равно количеству добавленного $HCl$, то есть 0,5 моль. Количество оставшегося $KOH$ в растворе: $n(KOH)_{\text{ост}} = n(KOH)_{\text{исх}} - n(HCl)_{\text{доб}} = 1 \text{ моль} - 0,5 \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$ Так как в растворе осталась щелочь ($KOH$), среда останется щелочной. Фенолфталеин сохранит свою малиновую окраску.

Ответ: Окраска раствора не изменится.

б) Добавляем 1 моль соляной кислоты. Количество вещества соляной кислоты ($n(HCl) = 1 \text{ моль}$) равно количеству вещества гидроксида калия ($n(KOH) = 1 \text{ моль}$). Произойдет полная нейтрализация щелочи кислотой. $n(KOH)_{\text{ост}} = 1 \text{ моль} - 1 \text{ моль} = 0 \text{ моль}$ $n(HCl)_{\text{ост}} = 1 \text{ моль} - 1 \text{ моль} = 0 \text{ моль}$ В результате реакции образуются только соль хлорид калия ($KCl$) и вода ($H_2O$). $KCl$ - соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($HCl$), поэтому среда раствора будет нейтральной (pH ≈ 7). В нейтральной среде фенолфталеин бесцветен. Следовательно, малиновая окраска исчезнет.

Ответ: Окраска изменится с малиновой на бесцветную.

в) Добавляем 1,5 моль соляной кислоты. Количество вещества соляной кислоты ($n(HCl) = 1,5 \text{ моль}$) больше, чем количество вещества гидроксида калия ($n(KOH) = 1 \text{ моль}$). Гидроксид калия прореагирует полностью, а соляная кислота останется в избытке. Количество $HCl$, вступившего в реакцию, равно количеству $KOH$, то есть 1 моль. Количество оставшегося $HCl$ в растворе: $n(HCl)_{\text{ост}} = n(HCl)_{\text{доб}} - n(KOH)_{\text{исх}} = 1,5 \text{ моль} - 1 \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$ Так как в растворе осталась сильная кислота ($HCl$), среда станет кислой (pH < 7). В кислой среде фенолфталеин бесцветен. Следовательно, малиновая окраска исчезнет.

Ответ: Окраска изменится с малиновой на бесцветную.

*11. Имеются три раствора одинаковой концентрации: $KOH$, $HNO_3$, $H_2S$. Расположите их в порядке увеличения $pH$ раствора. Ответ подтвердите уравнениями электролитической диссоциации.

Решение

Для того чтобы расположить растворы в порядке увеличения их pH, необходимо определить характер каждого вещества и степень его диссоциации в воде. Водородный показатель (pH) обратно пропорционален концентрации ионов водорода $H^+$ в растворе: чем выше концентрация $H^+$, тем ниже pH. Среда считается кислой при $pH < 7$, нейтральной при $pH = 7$ и щелочной при $pH > 7$.

$HNO_3$ (азотная кислота)

Это сильная кислота. В водном растворе она полностью диссоциирует на ионы. Это создает максимальную концентрацию ионов водорода $H^+$ среди представленных веществ, что соответствует минимальному значению pH.

Уравнение диссоциации: $HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Среда раствора сильнокислая ($pH \ll 7$).

$H_2S$ (сероводородная кислота)

Это слабая кислота. Она диссоциирует в воде лишь частично и обратимо, в основном по первой ступени. Концентрация ионов $H^+$ в ее растворе значительно меньше, чем в растворе азотной кислоты той же концентрации, поэтому pH раствора сероводорода будет выше, но все же меньше 7.

Уравнение диссоциации (I ступень): $H_2S \leftrightarrow H^+ + HS^-$

Среда раствора слабокислая ($pH < 7$).

$KOH$ (гидроксид калия)

Это сильное основание (щелочь). В растворе оно полностью диссоциирует с образованием гидроксид-ионов $OH^-$. Высокая концентрация $OH^-$ приводит к очень низкой концентрации ионов $H^+$, и, следовательно, к самому высокому значению pH.

Уравнение диссоциации: $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$

Среда раствора сильнощелочная ($pH \gg 7$).

Следовательно, наименьший pH будет у сильной кислоты ($HNO_3$), затем у слабой кислоты ($H_2S$), и самый высокий pH будет у сильного основания ($KOH$).

Ответ: Порядок увеличения pH: $HNO_3 < H_2S < KOH$.