Страница 147 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

14. Продукт взаимодействия железа с хлором растворили в воде. К полученному раствору добавили раствор гидроксида натрия до прекращения образования осадка. Полученный осадок прокалили. Напишите уравнения соответствующих реакций.

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$

Решение

Для решения задачи необходимо последовательно записать уравнения трех химических реакций, описанных в условии.

1. Первая реакция — это взаимодействие металлического железа с газообразным хлором. Хлор является сильным окислителем, поэтому железо окисляется до своей высшей устойчивой степени окисления +3. В результате образуется хлорид железа(III):

$2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{t} 2\text{FeCl}_3$

2. Полученный хлорид железа(III) растворяют в воде и к раствору добавляют гидроксид натрия. Происходит реакция обмена между солью и щелочью, в результате которой выпадает нерастворимый осадок гидроксида железа(III) бурого цвета:

$\text{FeCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$

3. Осадок гидроксида железа(III) отделяют и прокаливают. При нагревании нерастворимые гидроксиды разлагаются на соответствующий оксид и воду. В данном случае образуется оксид железа(III):

$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{t} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

Ответ:

$2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{t} 2\text{FeCl}_3$

$\text{FeCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$

$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{t} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

1. В ионе железа $ \text{Fe}^{2+} $ число электронов равно

1) 26 2) 24 3) 28 4) 54

Дано:
Ион железа $Fe^{2+}$

Найти:
Число электронов ($N_e$) в ионе $Fe^{2+}$.

Решение:

Для определения числа электронов в ионе необходимо обратиться к Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

1. Находим химический элемент железо (Fe). Его порядковый номер (атомный номер) $Z$ равен 26.

2. Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре его атома. В нейтральном (незаряженном) атоме число электронов равно числу протонов. Следовательно, нейтральный атом железа содержит 26 электронов.

3. Ион $Fe^{2+}$ имеет заряд $+2$. Положительный заряд иона означает, что он образовался из нейтрального атома путем отдачи электронов. Величина заряда (+2) показывает, что атом железа потерял (отдал) два электрона.

4. Рассчитываем число электронов в ионе, вычитая количество отданных электронов из их первоначального числа в нейтральном атоме:
$N_e = (\text{число электронов в нейтральном атоме}) - (\text{число отданных электронов})$
$N_e = 26 - 2 = 24$

Таким образом, ион железа $Fe^{2+}$ содержит 24 электрона. Среди предложенных вариантов это ответ под номером 2.

Ответ: 24

2. Степень окисления железа в соединениях, формулы которых $KFeO_2$ и $FeCO_3$, соответственно равна

1) +3 и +3

2) +3 и +2

3) +2 и +2

4) +2 и +3

Для определения степени окисления элемента в соединении необходимо исходить из принципа электронейтральности молекулы: алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю. Также следует учитывать постоянные степени окисления некоторых элементов: у щелочных металлов (например, калия K) она равна +1, а у кислорода (O) в большинстве соединений (в том числе в рассматриваемых) она равна -2.

Рассмотрим соединение $KFeO₂$ (феррат калия). Пусть степень окисления железа (Fe) равна $x$. Степень окисления калия (K) равна +1. Степень окисления кислорода (O) равна -2. Составим уравнение, исходя из того, что суммарная степень окисления всех атомов в молекуле равна нулю:

$1 \cdot (+1) + 1 \cdot x + 2 \cdot (-2) = 0$

$+1 + x - 4 = 0$

$x - 3 = 0$

$x = +3$

Таким образом, степень окисления железа в $KFeO₂$ равна +3.

Рассмотрим соединение $FeCO₃$ (карбонат железа(II)). Это соль, образованная катионом железа и кислотным остатком угольной кислоты - карбонат-ионом ($CO_3$). Карбонат-ион имеет заряд -2. Пусть степень окисления железа (Fe) равна $y$. Поскольку молекула в целом электронейтральна, сумма зарядов катиона и аниона должна быть равна нулю.

$y + (-2) = 0$

$y = +2$

Можно также рассчитать, зная, что в карбонатах степень окисления углерода (C) равна +4, а кислорода (O) равна -2:

$1 \cdot y + 1 \cdot (+4) + 3 \cdot (-2) = 0$

$y + 4 - 6 = 0$

$y - 2 = 0$

$y = +2$

Таким образом, степень окисления железа в $FeCO₃$ равна +2.

Следовательно, степени окисления железа в соединениях $KFeO₂$ и $FeCO₃$ соответственно равны +3 и +2. Этот вариант соответствует номеру 2.

Ответ: 2) +3 и +2

3. Верны ли следующие суждения о железе?

А. Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе.

Б. Железо в продуктах его взаимодействия с неметаллами проявляет степень окисления $+2$.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

А. Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе.

Это суждение является верным. По распространённости в Солнечной системе железо занимает одно из ведущих мест по массе после водорода, гелия, кислорода и углерода. Оно является конечным продуктом термоядерного синтеза во многих звёздах, что объясняет его значительное количество во Вселенной. Железо составляет большую часть ядра Земли и других планет земной группы, что подтверждает его высокую распространённость.

Б. Железо в продуктах его взаимодействия с неметаллами проявляет степень окисления +2.

Это суждение является неверным. Железо — переходный металл, который может проявлять различные степени окисления, наиболее устойчивыми из которых являются +2 и +3. Степень окисления железа в продуктах реакции зависит от активности неметалла (его окислительной способности). Например, при взаимодействии с серой железо образует сульфид железа(II), где его степень окисления +2:
$Fe + S \xrightarrow{t} FeS$
Однако при реакции с более сильными окислителями, такими как хлор, железо окисляется до степени +3:
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$
В этом соединении (хлорид железа(III)) степень окисления железа равна +3. Поскольку железо может проявлять и степень окисления +3 в продуктах взаимодействия с неметаллами, данное утверждение неверно.

Таким образом, верным является только суждение А.

Ответ: 1

4. При взаимодействии с разбавленной серной кислотой железо

1) образует соединение состава $FeSO_4$

2) образует соединение состава $Fe_2(SO_4)_3$

3) образует соединение состава $FeS$

4) пассивируется

Решение

Рассмотрим взаимодействие железа ($Fe$) с разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$). Железо — металл средней активности, который в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит до водорода. Это означает, что железо способно вступать в реакцию замещения с разбавленными кислотами (кроме азотной), вытесняя из них водород.

В разбавленных растворах серная кислота проявляет типичные кислотные свойства, где в качестве окислителя выступают ионы водорода ($H^+$). Ионы водорода являются достаточно слабыми окислителями, поэтому они окисляют железо до его низшей устойчивой степени окисления, то есть до +2.

Уравнение химической реакции имеет следующий вид:
$Fe^0 + H_2S^{+6}O_4 \text{(разб.)} \rightarrow Fe^{+2}SO_4 + H_2^0 \uparrow$

В результате реакции образуется соль — сульфат железа(II) ($FeSO_4$) — и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Проанализируем предложенные варианты:

1) образует соединение состава $FeSO_4$ — этот вариант является правильным. Продукт реакции — сульфат железа(II).

2) образует соединение состава $Fe_2(SO_4)_3$ — этот вариант неверен. Сульфат железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$) образуется при взаимодействии железа с более сильными окислителями, например, с концентрированной серной кислотой, где окислителем выступает сульфат-ион ($SO_4^{2-}$).

3) образует соединение состава $FeS$ — этот вариант неверен. Сульфид железа(II) ($FeS$) является солью сероводородной кислоты и не может образоваться в данной реакции. Его получают, например, прямым синтезом из железа и серы.

4) пассивируется — этот вариант неверен. Пассивация железа (образование на поверхности металла тонкой и прочной оксидной плёнки, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции) наблюдается в концентрированных кислотах-окислителях, таких как концентрированная азотная кислота или холодная концентрированная серная кислота. В разбавленной серной кислоте железо активно реагирует.

Ответ: 1) образует соединение состава $FeSO_4$

5. Железо окисляется до степени окисления $+3$ при действии на него

1) кислорода

2) хлора

3) серы

4) соляной кислоты

Решение

Для того чтобы определить, при взаимодействии с каким из предложенных веществ железо окисляется до степени окисления +3, необходимо проанализировать уравнения химических реакций и степени окисления железа в продуктах.

1) кислорода

При взаимодействии железа с кислородом, например, при горении, образуется железная окалина $Fe_3O_4$. Это смешанный оксид, который можно представить формулой $FeO \cdot Fe_2O_3$.

Уравнение реакции: $3Fe^0 + 2O_2^0 \rightarrow Fe^{+2}Fe_2^{+3}O_4^{-2}$.

В данном соединении часть атомов железа имеет степень окисления +2, а часть — +3. Следовательно, не все железо окисляется до +3.

2) хлора

Хлор ($Cl_2$) является очень сильным окислителем. При реакции с железом он окисляет его до высшей устойчивой степени окисления +3.

Уравнение реакции: $2Fe^0 + 3Cl_2^0 \rightarrow 2Fe^{+3}Cl_3^{-1}$.

В продукте реакции, хлориде железа(III), все атомы железа имеют степень окисления +3. Этот вариант является правильным.

3) серы

Сера ($S$) — более слабый окислитель, чем кислород и хлор. При нагревании с железом она окисляет его до степени окисления +2.

Уравнение реакции: $Fe^0 + S^0 \rightarrow Fe^{+2}S^{-2}$.

В сульфиде железа(II) степень окисления железа равна +2.

4) соляной кислоты

Соляная кислота ($HCl$) относится к кислотам-неокислителям. В реакции с металлами окислителем выступает катион водорода $H^+$, который является относительно слабым окислителем. Он окисляет железо до низшей положительной степени окисления +2.

Уравнение реакции: $Fe^0 + 2H^{+1}Cl^{-1} \rightarrow Fe^{+2}Cl_2^{-1} + H_2^0 \uparrow$.

В хлориде железа(II) степень окисления железа равна +2.

Таким образом, из всех перечисленных веществ только хлор окисляет железо до степени окисления +3.

Ответ: 2

6. Гидроксид железа(III) можно получить взаимодействием веществ, формулы которых

1) $Fe(OH)_2$, $H_2O$ и $O_2$

2) $Fe$ и $NaOH$

3) $Fe_2O_3$ и $H_2O$

4) $FeS$ и $KOH$

Для того чтобы определить, какие вещества могут взаимодействовать для получения гидроксида железа(III) ($Fe(OH)_3$), необходимо проанализировать каждый предложенный вариант.

Решение

1) Fe(OH)₂, H₂O и O₂

Гидроксид железа(II) ($Fe(OH)_2$) — это нестойкое соединение, которое легко окисляется кислородом воздуха в присутствии воды. В результате этой реакции степень окисления железа повышается с +2 до +3, и образуется гидроксид железа(III) ($Fe(OH)_3$), представляющий собой осадок бурого цвета. Это один из стандартных способов получения гидроксида железа(III).

Уравнение реакции:

$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 \downarrow$

Этот вариант является правильным.

2) Fe и NaOH

Железо (Fe) является металлом, стоящим в ряду активности металлов до водорода, но оно не реагирует с водными растворами щелочей, таких как гидроксид натрия (NaOH), при обычных условиях. Для такой реакции не хватает химической активности железа. Следовательно, гидроксид железа(III) таким способом получить нельзя.

3) Fe₂O₃ и H₂O

Оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) является основным оксидом, которому соответствует гидроксид железа(III). Однако $Fe_2O_3$ — это нерастворимое в воде вещество (основной компонент ржавчины), и оно не вступает в реакцию гидратации (взаимодействия с водой) с образованием гидроксида. Чтобы получить $Fe(OH)_3$ из $Fe_2O_3$, необходимо сначала подействовать на оксид сильной кислотой, чтобы получить соль, а затем уже на соль подействовать щелочью.

4) FeS и KOH

Это реакция ионного обмена между солью (сульфид железа(II)) и основанием (гидроксид калия). Реакции обмена в растворах протекают, если в результате образуется осадок, газ или слабый электролит (например, вода). Сульфид железа(II) (FeS) сам по себе является нерастворимым в воде веществом. Реакция обмена между нерастворимой солью и растворимой щелочью практически не идет. Более того, даже если бы реакция протекала, продуктом был бы гидроксид железа(II) ($Fe(OH)_2$), а не гидроксид железа(III) ($Fe(OH)_3$).

$FeS_{(тв)} + 2KOH_{(р-р)} \nrightarrow Fe(OH)_{2 \downarrow} + K_2S_{(р-р)}$

Таким образом, этот вариант не подходит.

Проанализировав все варианты, можно сделать вывод, что единственный корректный способ получения гидроксида железа(III) из предложенных — это окисление гидроксида железа(II) кислородом в водной среде.

Ответ: 1