Страница 102 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

13. При прокаливании известняка, содержащего 90 % карбоната кальция, получили 8,96 л углекислого газа (н. у.). Определите массу взятого для прокаливания известняка.

Дано:

$\omega(CaCO_3 \text{ в известняке}) = 90\% = 0,9$

$V(CO_2) = 8,96 \text{ л}$ (н. у.)

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

Найти:

$m(\text{известняка}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции термического разложения карбоната кальция, который является основной составляющей известняка:

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) углекислого газа ($CO_2$), который выделился в ходе реакции. Так как объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), мы можем использовать молярный объем газов, который равен 22,4 л/моль.

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{8,96 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,4 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, из 1 моль карбоната кальция ($CaCO_3$) образуется 1 моль углекислого газа ($CO_2$). Следовательно, их количества вещества соотносятся как 1:1.

$n(CaCO_3) = n(CO_2) = 0,4 \text{ моль}$

4. Теперь вычислим массу чистого карбоната кальция, который вступил в реакцию. Для этого сначала определим его молярную массу:

$M(CaCO_3) = M(Ca) + M(C) + 3 \cdot M(O) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100 \text{ г/моль}$

Масса чистого карбоната кальция равна:

$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3) = 0,4 \text{ моль} \cdot 100 \text{ г/моль} = 40 \text{ г}$

5. Мы нашли массу чистого $CaCO_3$. По условию задачи, эта масса составляет 90% от общей массы взятого известняка. Чтобы найти массу всего образца известняка, нужно массу чистого вещества разделить на его массовую долю.

$m(\text{известняка}) = \frac{m(CaCO_3)}{\omega(CaCO_3)} = \frac{40 \text{ г}}{0,9} \approx 44,44 \text{ г}$

Ответ: масса взятого для прокаливания известняка составляет примерно 44,44 г.

14. В лаборатории углекислый газ получают действием на мрамор соляной, а иногда азотной кислоты. Напишите уравнения соответствующих реакций. Объясните, почему для этой цели не используют серную и фосфорную кислоты.

Напишите уравнения соответствующих реакций.

В лабораторных условиях углекислый газ ($CO_2$) получают действием сильных кислот на мрамор. Основным компонентом мрамора является карбонат кальция ($CaCO_3$). При взаимодействии с соляной и азотной кислотами образуются растворимые соли кальция, что позволяет реакции протекать до полного расходования реагентов.

1. Уравнение реакции с соляной кислотой ($HCl$):

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Продуктами реакции являются хлорид кальция ($CaCl_2$), вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$). Хлорид кальция хорошо растворим в воде.

2. Уравнение реакции с азотной кислотой ($HNO_3$):

$CaCO_3 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Продуктами реакции являются нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$), вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$). Нитрат кальция также хорошо растворим в воде.

Ответ: Уравнение реакции с соляной кислотой: $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$. Уравнение реакции с азотной кислотой: $CaCO_3 + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2\uparrow$.

Объясните, почему для этой цели не используют серную и фосфорную кислоты.

Серную и фосфорную кислоты не применяют для получения углекислого газа из мрамора по причине образования нерастворимых или малорастворимых продуктов реакции, которые останавливают дальнейшее взаимодействие.

1. При действии серной кислоты ($H_2SO_4$) на карбонат кальция образуется малорастворимый сульфат кальция ($CaSO_4$):

$CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$

Образующаяся пленка сульфата кальция покрывает поверхность кусочков мрамора. Это явление называется пассивацией. Слой осадка препятствует контакту свежих порций кислоты с карбонатом кальция, и реакция быстро прекращается.

2. При действии фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) на карбонат кальция образуется нерастворимый в воде фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$):

$3CaCO_3 + 2H_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 3H_2O + 3CO_2\uparrow$

Как и в случае с серной кислотой, на поверхности мрамора формируется нерастворимая пленка фосфата кальция, которая блокирует реакцию, и выделение углекислого газа останавливается.

Ответ: Серную и фосфорную кислоты не используют, потому что в результате реакций образуются малорастворимый сульфат кальция ($CaSO_4$) и нерастворимый фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$) соответственно. Эти соли образуют на поверхности мрамора защитную пленку, которая прекращает доступ кислоты к реагенту и останавливает реакцию.

1. Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме химического элемента второго периода, IVA-группы Периодической системы следующее:

1) $2e, 8e, 4e$

2) $2e, 4e$

3) $2e, 8e, 6e$

4) $2e, 8e, 2e$

Решение

Для определения распределения электронов по энергетическим уровням в атоме химического элемента необходимо использовать его положение в Периодической системе.

1. Элемент находится во втором периоде. Номер периода указывает на количество энергетических уровней (электронных слоев) в атоме. Следовательно, у атома данного элемента есть два энергетических уровня.

2. Элемент находится в IVA-группе (14-й группе). Для элементов главных подгрупп (A-групп) номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов). Таким образом, на внешнем (втором) уровне у этого элемента находится 4 электрона.

3. Первый энергетический уровень является внутренним и, согласно правилам заполнения, он должен быть полностью заполнен. Максимальная емкость первого энергетического уровня составляет 2 электрона.

Собрав все данные воедино, получаем, что распределение электронов по уровням следующее: 2 электрона на первом уровне и 4 электрона на втором. Эта электронная конфигурация записывается как 2e, 4e. Данный элемент — углерод (C) с порядковым номером $Z=6$.

Сравним полученный результат с предложенными вариантами:

• 1) 2e, 8e, 4e — неверно, так как у элемента три энергетических уровня, что соответствует третьему периоду.
• 2) 2e, 4e — верно, так как у элемента два энергетических уровня (соответствует второму периоду) и 4 электрона на внешнем уровне (соответствует IVA-группе).
• 3) 2e, 8e, 6e — неверно, так как у элемента три энергетических уровня и 6 валентных электронов (соответствует элементу VIA-группы третьего периода, сере).
• 4) 2e, 8e, 2e — неверно, так как у элемента три энергетических уровня и 2 валентных электрона (соответствует элементу IIA-группы третьего периода, магнию).

Ответ: 2) 2e, 4e

2. Атом углерода отличается от атома кремния

1) числом электронов на внешнем слое

2) электроотрицательностью

3) высшей степенью окисления

4) валентностью

Решение

Для того чтобы определить, чем атом углерода отличается от атома кремния, необходимо рассмотреть их положение в периодической системе химических элементов и проанализировать их свойства. Углерод (C) и кремний (Si) оба находятся в 14-й группе (или IVА группе) периодической системы. Углерод расположен во 2-м периоде, а кремний – в 3-м. Это означает, что они являются элементами-аналогами и имеют сходное строение внешнего электронного слоя, что обуславливает схожесть их химических свойств. Однако, из-за разного числа электронных слоев, некоторые их свойства будут различаться. Рассмотрим каждый из предложенных вариантов.

1) числом электронов на внешнем слое

Поскольку углерод и кремний находятся в одной и той же, 14-й (IVА) группе, у них одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов). Это число равно номеру группы для элементов главных подгрупп. Электронная конфигурация углерода (C), порядковый номер 6: $1s^2 2s^2 2p^2$. На внешнем втором уровне находится $2+2=4$ электрона. Электронная конфигурация кремния (Si), порядковый номер 14: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$. На внешнем третьем уровне находится $2+2=4$ электрона. Таким образом, по числу электронов на внешнем слое атомы углерода и кремния не отличаются.

2) электроотрицательностью

Электроотрицательность – это фундаментальная химическая характеристика атома, мера его способности притягивать к себе электроны от других атомов в химической связи. В группах периодической системы электроотрицательность, как правило, уменьшается сверху вниз. Это связано с тем, что с увеличением номера периода растет радиус атома (добавляется новый электронный слой), и валентные электроны оказываются дальше от ядра и слабее притягиваются к нему. Углерод находится во 2-м периоде, а кремний – в 3-м, непосредственно под углеродом. Следовательно, атом углерода имеет меньший радиус и притягивает электроны сильнее, чем атом кремния. Электроотрицательность углерода по шкале Полинга составляет примерно 2,55, а кремния – 1,90. Следовательно, атомы углерода и кремния существенно отличаются по электроотрицательности.

3) высшей степенью окисления

Высшая степень окисления для элементов главных подгрупп, как правило, равна номеру группы. И углерод, и кремний находятся в 14-й (IVА) группе, поэтому их высшая степень окисления одинакова и равна $+4$. Эта степень окисления соответствует отдаче всех четырех валентных электронов. Например, в оксидах $CO_2$ (диоксид углерода) и $SiO_2$ (диоксид кремния) оба элемента проявляют степень окисления $+4$. Таким образом, по высшей степени окисления атомы углерода и кремния не отличаются.

4) валентностью

Валентность определяется числом химических связей, которые атом образует с другими атомами. Для углерода и кремния, имеющих по 4 валентных электрона, наиболее характерная и высшая валентность равна IV. Например, в соединениях $CH_4$ (метан) и $SiH_4$ (силан) оба элемента четырехвалентны. Таким образом, по своей высшей (и наиболее характерной) валентности атомы углерода и кремния не отличаются.

Из проведенного анализа следует, что единственным свойством из перечисленных, по которому атом углерода отличается от атома кремния, является электроотрицательность.

Ответ: 2

3. Низшую степень окисления углерод проявляет в соединении, формула которого

1) $CO_2$

2) $CaCO_3$

3) $Al_4C_3$

4) $CO$

Для того чтобы определить, в каком из соединений углерод проявляет низшую степень окисления, необходимо рассчитать эту величину для каждого варианта. Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, который вычисляется из предположения, что все связи в соединении являются ионными. Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле всегда равна нулю.

1) CO₂
В диоксиде углерода степень окисления кислорода (O) принимается равной -2. Обозначим степень окисления углерода (C) как $x$. Так как молекула в целом электронейтральна, сумма степеней окисления равна нулю.
$x + 2 \cdot (-2) = 0$
$x - 4 = 0$
$x = +4$
Степень окисления углерода в $CO_2$ равна +4.

2) CaCO₃
В карбонате кальция степень окисления кальция (Ca), как металла II группы главной подгруппы, равна +2. Степень окисления кислорода (O) равна -2. Обозначим степень окисления углерода (C) как $x$.
$(+2) + x + 3 \cdot (-2) = 0$
$2 + x - 6 = 0$
$x - 4 = 0$
$x = +4$
Степень окисления углерода в $CaCO_3$ равна +4.

3) Al₄C₃
В карбиде алюминия степень окисления алюминия (Al) равна +3. Углерод в данном соединении является более электроотрицательным элементом, чем алюминий, поэтому будет иметь отрицательную степень окисления. Обозначим ее как $x$.
$4 \cdot (+3) + 3 \cdot x = 0$
$12 + 3x = 0$
$3x = -12$
$x = -4$
Степень окисления углерода в $Al_4C_3$ равна -4.

4) CO
В оксиде углерода(II) (угарном газе) степень окисления кислорода (O) равна -2. Обозначим степень окисления углерода (C) как $x$.
$x + (-2) = 0$
$x = +2$
Степень окисления углерода в $CO$ равна +2.

Сравнивая полученные значения степеней окисления углерода в предложенных соединениях (+4, +4, -4, +2), приходим к выводу, что низшую (минимальную) степень окисления (-4) углерод проявляет в карбиде алюминия ($Al_4C_3$).

Ответ: 3

4. Верны ли следующие суждения об аллотропных модификациях углерода?

А. Благодаря высокой твёрдости алмазы применяют для изготовления свёрл, буров, шлифовальных инструментов.

Б. Графит в отличие от алмаза мягкий, непрозрачный, тепло- и электропроводный неметалл.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

Решение

Для того чтобы определить, верны ли предложенные суждения, необходимо проанализировать каждое из них на основе известных свойств аллотропных модификаций углерода — алмаза и графита.

А. Благодаря высокой твёрдости алмазы применяют для изготовления свёрл, буров, шлифовальных инструментов.

Алмаз представляет собой аллотропную модификацию углерода, обладающую атомной кристаллической решёткой. В этой решётке каждый атом углерода соединён с четырьмя другими атомами прочными ковалентными связями, образуя структуру тетраэдра. Такое строение обеспечивает алмазу исключительную твёрдость, которая является наивысшей среди всех известных природных веществ (10 по шкале Мооса). Именно это уникальное свойство делает алмаз незаменимым материалом в промышленности для создания режущих, бурильных и абразивных (шлифовальных) инструментов. Они используются для обработки самых твёрдых материалов, которые не поддаются другим инструментам. Таким образом, данное суждение является верным.

Ответ: суждение А верно.

Б. Графит в отличие от алмаза мягкий, непрозрачный, тепло- и электропроводный неметалл.

Графит — это другая аллотропная модификация углерода, структура которой кардинально отличается от алмаза. Кристаллическая решётка графита имеет слоистое строение. Атомы углерода в слоях прочно связаны между собой, но сами слои удерживаются слабыми межмолекулярными силами. Это определяет его ключевые свойства: графит — мягкий материал (слои легко скользят друг относительно друга), он непрозрачный и имеет тёмно-серый цвет с металлическим блеском. В отличие от алмаза, который является диэлектриком, графит обладает хорошей тепло- и электропроводностью из-за наличия делокализованных электронов в его структуре. При этом и алмаз, и графит являются формами элемента углерода, который классифицируется как неметалл. Следовательно, все характеристики, перечисленные в суждении, верны.

Ответ: суждение Б верно.

Поскольку оба суждения (А и Б) являются верными, следует выбрать вариант ответа, который подтверждает истинность обоих суждений.

Ответ: 3

5. Углерод проявляет восстановительные свойства в реакции, уравнение которой

1) $C + 2H_2 = CH_4$

2) $C + Si = SiC$

3) $2C + Ca = CaC_2$

4) $C + CuO = Cu + CO$

Решение

Восстановитель — это атом, молекула или ион, который в ходе окислительно-восстановительной реакции отдает электроны, при этом его степень окисления повышается. Чтобы определить, в какой из реакций углерод является восстановителем, необходимо проанализировать изменение его степени окисления в каждом из предложенных уравнений. Степень окисления углерода в виде простого вещества ($C$) всегда равна 0.

1) $C + 2H_2 = CH_4$

В данной реакции степень окисления углерода как простого вещества равна 0. В продукте реакции, метане ($CH_4$), углерод является более электроотрицательным элементом, чем водород. Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1. Следовательно, степень окисления углерода в $CH_4$ равна -4. Происходит изменение степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-4}$. Степень окисления понизилась, значит, углерод принял электроны и является окислителем.

2) $C + Si = SiC$

В этой реакции степень окисления углерода равна 0. В карбиде кремния ($SiC$) углерод более электроотрицателен, чем кремний, поэтому он принимает отрицательную степень окисления, равную -4. Происходит изменение степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-4}$. Степень окисления понизилась, значит, углерод является окислителем.

3) $2C + Ca = CaC_2$

В этой реакции степень окисления углерода равна 0. В карбиде кальция ($CaC_2$) кальций, как металл второй группы, имеет постоянную степень окисления +2. Тогда суммарная степень окисления двух атомов углерода равна -2, а степень окисления каждого атома углерода равна -1. Происходит изменение степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-1}$. Степень окисления понизилась, следовательно, углерод является окислителем.

4) $C + CuO = Cu + CO$

В этой реакции степень окисления углерода равна 0. В оксиде меди(II) ($CuO$) степень окисления меди +2, а кислорода -2. В продуктах реакции медь ($Cu$) — простое вещество, ее степень окисления 0. В угарном газе ($CO$) степень окисления кислорода -2, следовательно, степень окисления углерода +2. Происходит изменение степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{+2}$. Степень окисления повысилась, значит, углерод отдал электроны и является восстановителем. (Медь, в свою очередь, понизила степень окисления с +2 до 0, то есть восстановилась).

Таким образом, углерод проявляет восстановительные свойства в реакции под номером 4.

Ответ: 4