Страница 100 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

14. При пропускании оксида углерода(IV) через известковую воду сначала раствор мутнеет, а затем снова становится прозрачным. Объясните это явление, написав уравнения соответствующих реакций.

Реакции:

$CO_2 + Ca(OH)_2 \to CaCO_3\downarrow + H_2O$

$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \to Ca(HCO_3)_2$

Решение

Данное явление объясняется протеканием двух последовательных химических реакций.

Известковая вода – это насыщенный водный раствор гидроксида кальция, $Ca(OH)_2$. Оксид углерода(IV), или углекислый газ, $CO_2$, является кислотным оксидом.

Сначала, при пропускании небольшого количества оксида углерода(IV) через известковую воду, происходит реакция нейтрализации. Кислотный оксид $CO_2$ реагирует с основанием $Ca(OH)_2$, в результате чего образуется нерастворимая в воде соль — карбонат кальция $CaCO_3$. Это вещество представляет собой белый осадок, который и вызывает помутнение раствора.

Уравнение первой реакции:

$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

Затем, при дальнейшем пропускании углекислого газа, он начинает реагировать с образовавшимся осадком карбоната кальция в присутствии воды. В результате этой реакции образуется гидрокарбонат кальция $Ca(HCO_3)_2$. Это кислая соль, которая, в отличие от средней соли $CaCO_3$, хорошо растворима в воде. Осадок растворяется, и раствор снова становится прозрачным.

Уравнение второй реакции:

$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Ответ: Помутнение раствора происходит из-за образования нерастворимого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$) по реакции: $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$. Последующее просветление раствора связано с растворением этого осадка при избытке оксида углерода(IV) и образованием растворимого гидрокарбоната кальция ($Ca(HCO_3)_2$) по реакции: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$.

1. Распределение электронов по энергетическим уровням 2e, 8e, 4e соответствует атому

1) углерода

2) кремния

3) кислорода

4) серы

Дано:

Распределение электронов по энергетическим уровням: $2e, 8e, 4e$.

Найти:

Атом химического элемента, которому соответствует данное распределение.

Решение:

Чтобы определить химический элемент, необходимо найти его порядковый номер в Периодической системе химических элементов. Порядковый номер элемента равен общему числу электронов в его нейтральном атоме.

В условии задачи указано, что на первом энергетическом уровне находятся 2 электрона ($2e$), на втором — 8 электронов ($8e$), а на третьем — 4 электрона ($4e$).

Найдем общее число электронов, просуммировав их количество на всех уровнях:
Общее число электронов = $2 + 8 + 4 = 14$.

Так как в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов в ядре, то порядковый номер искомого элемента равен 14.

Теперь сопоставим полученный результат с предложенными вариантами:
1) углерод (C) имеет порядковый номер 6.
2) кремний (Si) имеет порядковый номер 14.
3) кислород (O) имеет порядковый номер 8.
4) сера (S) имеет порядковый номер 16.

Таким образом, элемент с порядковым номером 14 — это кремний. Заданное распределение электронов соответствует атому кремния.

Ответ: 2) кремния

2. Атом кремния отличается от атома углерода

1) низшей степенью окисления

2) радиусом атома

3) валентностью

4) числом электронов на внешнем слое

Решение

Для того чтобы определить, чем атом кремния отличается от атома углерода, необходимо рассмотреть их положение в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и сравнить их свойства.

Углерод ($C$) и кремний ($Si$) являются элементами одной и той же группы — 14-й (или IVА группы). Углерод расположен во втором периоде, а кремний — в третьем. Положение в одной группе определяет сходство их химических свойств, в частности, одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне и одинаковую высшую валентность. Положение в разных периодах определяет различия, связанные с размером атома и энергией ионизации.

Проанализируем предложенные варианты:

1) низшей степенью окисления
Низшая степень окисления для неметаллов, как правило, равна номеру группы минус восемь. Для углерода и кремния, находящихся в 14-й группе, низшая степень окисления составляет $14-18 = -4$. Например, в соединениях $CH_4$ (метан) и $SiH_4$ (силан) оба элемента имеют степень окисления -4. Таким образом, по этому признаку они не отличаются.

2) радиусом атома
В группах Периодической системы атомный радиус увеличивается сверху вниз, так как с каждым последующим периодом добавляется новый электронный слой. Углерод находится во 2-м периоде и его атомы имеют 2 электронных слоя. Кремний находится в 3-м периоде, и его атомы имеют 3 электронных слоя. Следовательно, атом кремния имеет больший радиус, чем атом углерода. Это является их отличием.

3) валентностью
Высшая валентность для элементов главных подгрупп, как правило, равна номеру группы. Для углерода и кремния (14-я группа) она равна IV. Оба элемента образуют множество соединений, в которых они четырехвалентны (например, $CO_2$, $CH_4$, $SiO_2$, $SiF_4$). Следовательно, их характерная валентность одинакова.

4) числом электронов на внешнем слое
Поскольку оба элемента находятся в 14-й группе, у них одинаковое число электронов на внешнем (валентном) слое — 4 электрона. Электронная конфигурация внешнего слоя углерода — $2s^22p^2$, а кремния — $3s^23p^2$. Число валентных электронов у них совпадает, что и обуславливает их нахождение в одной группе.

Таким образом, единственное из перечисленных свойств, по которому атом кремния отличается от атома углерода, — это радиус атома.

Ответ: 2) радиусом атома.

3. Высшую степень окисления углерод проявляет

1) в угарном газе

2) в карбиде кальция

3) в метане

4) в углекислом газе

Для того чтобы определить, в каком из соединений углерод проявляет свою высшую степень окисления, необходимо рассчитать его степень окисления в каждом из предложенных вариантов. Высшая степень окисления элемента, как правило, соответствует номеру группы в периодической системе, в которой он находится. Углерод (C) расположен в 14-й (IVА) группе, следовательно, его высшая возможная степень окисления равна +4.

1) в угарном газе

Химическая формула угарного газа — $CO$. Степень окисления кислорода в оксидах (за редкими исключениями) составляет -2. Молекула является электронейтральной, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Пусть степень окисления углерода будет $x$.
$x + (-2) = 0$
$x = +2$
Таким образом, степень окисления углерода в угарном газе составляет +2.

2) в карбиде кальция

Химическая формула карбида кальция — $CaC_2$. Кальций (Ca) — это щелочноземельный металл II группы, его степень окисления в соединениях всегда равна +2. Пусть степень окисления углерода будет $x$.
$(+2) + 2 \cdot x = 0$
$2x = -2$
$x = -1$
Таким образом, степень окисления углерода в карбиде кальция составляет -1.

3) в метане

Химическая формула метана — $CH_4$. Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами, которые более электроотрицательны (в данном случае, углерод), равна +1. Пусть степень окисления углерода будет $x$.
$x + 4 \cdot (+1) = 0$
$x = -4$
Таким образом, степень окисления углерода в метане составляет -4, что является его низшей степенью окисления.

4) в углекислом газе

Химическая формула углекислого газа — $CO_2$. Степень окисления кислорода равна -2. Пусть степень окисления углерода будет $x$.
$x + 2 \cdot (-2) = 0$
$x - 4 = 0$
$x = +4$
Таким образом, степень окисления углерода в углекислом газе составляет +4.

Сравнив полученные степени окисления углерода в соединениях: +2 (в угарном газе), -1 (в карбиде кальция), -4 (в метане) и +4 (в углекислом газе), можно заключить, что высшую степень окисления (+4) углерод проявляет в углекислом газе.

Ответ: в углекислом газе.

4. Верны ли следующие суждения об аллотропных модификациях углерода?

А. Графит — тёмно-серое, жирное на ощупь кристаллическое вещество с металлическим блеском.

Б. Алмаз и графит — самые твёрдые вещества среди всех природных веществ.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать каждое из предложенных суждений.

А. Графит — тёмно-серое, жирное на ощупь кристаллическое вещество с металлическим блеском.

Это суждение является верным. Графит действительно представляет собой кристаллическое вещество. Его цвет — от тёмно-серого до чёрного. Он обладает характерным металлическим блеском. Из-за своей слоистой структуры, где слои атомов углерода слабо связаны между собой и могут легко смещаться, графит ощущается жирным (или мылким) на ощупь. Это свойство используется, например, в карандашах.

Б. Алмаз и графит — самые твёрдые вещества среди всех природных веществ.

Это суждение является неверным. Алмаз действительно является эталоном твёрдости (10 по шкале Мооса) и самым твёрдым из всех известных природных минералов. Однако графит, другая аллотропная модификация углерода, является одним из самых мягких минералов. Его твёрдость по шкале Мооса составляет всего 1–2. Поэтому утверждение, что и алмаз, и графит являются самыми твёрдыми веществами, ложно.

Таким образом, верным является только суждение А.

Ответ: 1) верно только А

5. Углерод проявляет окислительные свойства в реакции, уравнение которой

1) $3C + 4Al = Al_{4}C_{3}$

2) $C + 2H_{2}SO_{4} = CO_{2} + 2H_{2}O + 2SO_{2}$

3) $4C + Fe_{3}O_{4} = 3Fe + 4CO$

4) $C + 2F_{2} = CF_{4}$

Окислитель в химической реакции — это частица (атом, ион или молекула), которая принимает электроны. В ходе окислительно-восстановительной реакции окислитель восстанавливается, то есть его степень окисления понижается. Чтобы углерод проявлял окислительные свойства, его степень окисления в результате реакции должна уменьшиться. Исходная степень окисления углерода в виде простого вещества (C) равна 0.

Проанализируем каждую из предложенных реакций:

1) $3\stackrel{0}{\text{C}} + 4\stackrel{0}{\text{Al}} = \stackrel{+3}{\text{Al}}_4\stackrel{-4}{\text{C}}_3$
В этой реакции углерод (C) взаимодействует с алюминием (Al). Алюминий — металл, поэтому он отдает электроны, а углерод, как более электроотрицательный неметалл, их принимает. Степень окисления углерода изменяется с 0 до -4. Поскольку степень окисления понизилась, углерод является окислителем.
Процесс восстановления (принятие электронов): $\stackrel{0}{\text{C}} + 4e^- \rightarrow \stackrel{-4}{\text{C}}$
Процесс окисления (отдача электронов): $\stackrel{0}{\text{Al}} - 3e^- \rightarrow \stackrel{+3}{\text{Al}}$
Ответ: В данной реакции углерод является окислителем.

2) $\stackrel{0}{\text{C}} + 2\text{H}_2\stackrel{+6}{\text{S}}\text{O}_4 = \stackrel{+4}{\text{C}}\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 2\stackrel{+4}{\text{S}}\text{O}_2$
В реакции с концентрированной серной кислотой степень окисления углерода (C) изменяется с 0 до +4 (в диоксиде углерода $\text{CO}_2$). Поскольку степень окисления повысилась, углерод отдает электроны и является восстановителем.
Процесс окисления: $\stackrel{0}{\text{C}} - 4e^- \rightarrow \stackrel{+4}{\text{C}}$
Ответ: В данной реакции углерод является восстановителем.

3) $4\stackrel{0}{\text{C}} + \text{Fe}_3\text{O}_4 = 3\stackrel{0}{\text{Fe}} + 4\stackrel{+2}{\text{C}}\text{O}$
В этой реакции углерод используется для восстановления железа из его оксида. Степень окисления углерода (C) изменяется с 0 до +2 (в оксиде углерода(II) $\text{CO}$). Поскольку степень окисления повысилась, углерод отдает электроны и является восстановителем.
Процесс окисления: $\stackrel{0}{\text{C}} - 2e^- \rightarrow \stackrel{+2}{\text{C}}$
Ответ: В данной реакции углерод является восстановителем.

4) $\stackrel{0}{\text{C}} + 2\stackrel{0}{\text{F}}_2 = \stackrel{+4}{\text{C}}\stackrel{-1}{\text{F}}_4$
В реакции с фтором (самым электроотрицательным элементом) углерод (C) отдает электроны. Его степень окисления изменяется с 0 до +4 (во фториде углерода(IV) $\text{CF}_4$). Поскольку степень окисления повысилась, углерод является восстановителем.
Процесс окисления: $\stackrel{0}{\text{C}} - 4e^- \rightarrow \stackrel{+4}{\text{C}}$
Ответ: В данной реакции углерод является восстановителем.

Таким образом, углерод проявляет окислительные свойства только в реакции с алюминием, где его степень окисления понижается.

Ответ: 1