Страница 149 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

13. Используя метод электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнении реакции, схема которой

$$\text{FeCl}_3 + \text{KI} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{I}_2 + \text{KCl}$$

Определите окислитель и восстановитель.

Дано:

Схема реакции: $FeCl_3 + KI \rightarrow FeCl_2 + I_2 + KCl$

Найти:

Расставить коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса, определить окислитель и восстановитель.

Решение:

1. Определим степени окисления химических элементов в реагентах и продуктах реакции:

$\overset{+3}{Fe}\overset{-1}{Cl_3} + \overset{+1}{K}\overset{-1}{I} \rightarrow \overset{+2}{Fe}\overset{-1}{Cl_2} + \overset{0}{I_2} + \overset{+1}{K}\overset{-1}{Cl}$

2. Элементы, которые изменили свои степени окисления, — это железо и йод.

• Железо понизило степень окисления с +3 до +2 (процесс восстановления).
• Йод повысил степень окисления с -1 до 0 (процесс окисления).

3. Составим полуреакции окисления и восстановления, чтобы составить электронный баланс:

$Fe^{+3} + 1e^{-} \rightarrow Fe^{+2} \quad | \times 2 \quad$ (восстановление)
$2I^{-1} - 2e^{-} \rightarrow I_2^0 \quad | \times 1 \quad$ (окисление)

4. Для уравнивания числа отданных и принятых электронов, первую полуреакцию (восстановление) необходимо умножить на 2, а вторую (окисление) — на 1.

5. Используем полученные множители в качестве стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Коэффициент 2 ставим перед $FeCl_3$ и $FeCl_2$. Коэффициент 1 (который не пишется) ставим перед $I_2$, а коэффициент 2 — перед $KI$ (так как в полуреакции окисляются два иона йода).

$2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + I_2 + KCl$

6. Уравняем количество атомов калия и хлора. В левой части уравнения находятся 2 атома калия и 6 атомов хлора. Для баланса в правой части необходимо поставить коэффициент 2 перед $KCl$.

$2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + I_2 + 2KCl$

7. Проведем проверку баланса атомов:

• Fe: слева 2, справа 2.
• Cl: слева $2 \times 3 = 6$, справа $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$.
• K: слева 2, справа 2.
• I: слева 2, справа 2.

Атомы всех элементов уравнены, коэффициенты расставлены верно.

8. Определим окислитель и восстановитель.

• Окислитель — это вещество, которое принимает электроны, понижая степень окисления своего элемента. В данной реакции $Fe^{+3}$ в составе $FeCl_3$ принимает электроны. Следовательно, $FeCl_3$ — окислитель.
• Восстановитель — это вещество, которое отдает электроны, повышая степень окисления своего элемента. В данной реакции $I^{-1}$ в составе $KI$ отдает электроны. Следовательно, $KI$ — восстановитель.

Ответ:

Уравнение реакции: $2FeCl_3 + 2KI = 2FeCl_2 + I_2 + 2KCl$.
Окислитель: $FeCl_3$ (за счёт $Fe^{+3}$).
Восстановитель: $KI$ (за счёт $I^{-1}$).

14. К раствору сульфата железа(II) добавили раствор карбоната натрия. Образовался осадок. При взаимодействии этого осадка с соляной кислотой выделился газ, а при прокаливании осадок разложился на два оксида. Напишите уравнения соответствующих реакций.

Реакция 1: Образование осадка

$FeSO_4 + Na_2CO_3 \to FeCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$

Реакция 2: Взаимодействие осадка с соляной кислотой

$FeCO_3 + 2HCl \to FeCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Реакция 3: Прокаливание осадка

$FeCO_3 \xrightarrow{t} FeO + CO_2 \uparrow$

Решение

В задаче описывается последовательность из трех химических реакций.

Первая реакция — взаимодействие раствора сульфата железа(II) ($FeSO_4$) с раствором карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Это реакция ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый в воде карбонат железа(II) ($FeCO_3$), который и является осадком.
$FeSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow FeCO_3\downarrow + Na_2SO_4$

Вторая реакция — взаимодействие полученного осадка ($FeCO_3$) с соляной кислотой ($HCl$). Карбонаты реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа ($CO_2$), который и является газом, упомянутым в условии.
$FeCO_3 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Третья реакция — термическое разложение (прокаливание) осадка ($FeCO_3$). При нагревании карбонат железа(II) разлагается на два оксида: оксид железа(II) ($FeO$) и оксид углерода(IV), т.е. углекислый газ ($CO_2$).
$FeCO_3 \xrightarrow{t} FeO + CO_2\uparrow$

Ответ:
$FeSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow FeCO_3\downarrow + Na_2SO_4$
$FeCO_3 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
$FeCO_3 \xrightarrow{t} FeO + CO_2\uparrow$

1. Электронная формула $2e, 8e, 14e, 2e$ соответствует химическому элементу

1) кальцию

2) железу

3) цинку

4) хрому

Решение

Представленная в условии электронная формула $2e, 8e, 14e, 2e$ описывает распределение электронов по энергетическим уровням в атоме химического элемента. Числа в формуле соответствуют количеству электронов на первом, втором, третьем и четвертом энергетических уровнях соответственно.

Для определения химического элемента необходимо найти его порядковый номер в Периодической системе. Порядковый номер элемента равен общему числу электронов в его нейтральном атоме.

Найдем общее число электронов, просуммировав их количество на каждом уровне:

$2 + 8 + 14 + 2 = 26$

Следовательно, порядковый номер искомого элемента (Z) равен 26.

Обратимся к Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Элемент с порядковым номером 26 — это железо (Fe).

Проверим соответствие, записав полную электронную конфигурацию железа (Fe, $Z=26$):

$1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$

Теперь сгруппируем электроны по энергетическим уровням (по главному квантовому числу $n$):

• 1-й уровень ($n=1$): $1s^2$ → 2 электрона.
• 2-й уровень ($n=2$): $2s^22p^6$ → $2+6=8$ электронов.
• 3-й уровень ($n=3$): $3s^23p^63d^6$ → $2+6+6=14$ электронов.
• 4-й уровень ($n=4$): $4s^2$ → 2 электрона.

Полученное распределение по уровням $2, 8, 14, 2$ полностью совпадает с формулой, данной в условии.

Для сравнения, электронные формулы других предложенных элементов:

• 1) Кальций (Ca, $Z=20$): $2, 8, 8, 2$.
• 3) Цинк (Zn, $Z=30$): $2, 8, 18, 2$.
• 4) Хром (Cr, $Z=24$): $2, 8, 13, 1$ (из-за "провала" электрона с 4s- на 3d-подуровень).

Ответ: 2) железу

2. Степень окисления железа в соединениях, формулы которых $FeS$ и $K_2FeO_4$, соответственно равна

1) $+2$ и $+6$2) $+3$ и $+4$3) $+2$ и $+4$4) $+3$ и $+6$

Дано:

Химические соединения: $FeS$ и $K_2FeO_4$.

Найти:

Степень окисления железа ($Fe$) в каждом из данных соединений.

Решение:

Для определения степени окисления воспользуемся правилом, согласно которому сумма степеней окисления всех атомов в электронейтральной молекуле равна нулю. Также используем известные постоянные степени окисления некоторых элементов.

FeS

В сульфидах (бинарных соединениях с металлами) сера ($S$) обычно проявляет степень окисления -2. Обозначим искомую степень окисления железа ($Fe$) через $x$.

Составим уравнение, исходя из того, что молекула в целом электронейтральна:

$x + (-2) = 0$

Решая уравнение, находим значение $x$:

$x = +2$

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

K₂FeO₄

В данном соединении (феррат калия) калий ($K$) является щелочным металлом, и его степень окисления в соединениях постоянна и равна +1. Кислород ($O$) в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Обозначим искомую степень окисления железа ($Fe$) через $y$.

Составим уравнение для молекулы $K_2FeO_4$, учитывая количество атомов каждого элемента (2 атома K, 1 атом Fe, 4 атома O):

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

Упростим и решим полученное уравнение:

$2 + y - 8 = 0$

$y - 6 = 0$

$y = +6$

Таким образом, степень окисления железа в феррате калия $K_2FeO_4$ равна +6.

Итак, степени окисления железа в соединениях $FeS$ и $K_2FeO_4$ соответственно равны +2 и +6.

Ответ: 1) +2 и +6

3. Верны ли следующие суждения о железе и его соединениях?

А. Соединения железа в степени окисления $+3$ более устойчивы по сравнению с соединениями, где этот металл имеет степень окисления $+2$.

Б. Чугун и сталь — сплавы на основе железа.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

Решение

Для выбора правильного варианта ответа необходимо последовательно проанализировать каждое из предложенных суждений.

А. Соединения железа в степени окисления +3 более устойчивы по сравнению с соединениями, где этот металл имеет степень окисления +2.

Это суждение верно. Стабильность соединений железа связана с электронной конфигурацией его ионов. Атом железа $Fe$ имеет электронную конфигурацию $[Ar]3d^64s^2$. При потере двух электронов образуется ион $Fe^{2+}$ с конфигурацией $[Ar]3d^6$. При потере трех электронов образуется ион $Fe^{3+}$ с конфигурацией $[Ar]3d^5$. Конфигурация $3d^5$ соответствует наполовину заполненному d-подуровню, который является энергетически более выгодным и устойчивым состоянием. Поэтому ион $Fe^{3+}$ и его соединения более стабильны, чем ион $Fe^{2+}$ и его соединения. На практике это проявляется в том, что соединения двухвалентного железа легко окисляются до соединений трехвалентного.

Б. Чугун и сталь — сплавы на основе железа.

Это суждение также верно. И чугун, и сталь являются важнейшими промышленными сплавами, основу которых составляет железо ($Fe$). Они различаются главным образом процентным содержанием углерода ($C$): в стали его менее 2,14%, а в чугуне — более 2,14%. Таким образом, и чугун, и сталь по определению являются сплавами на основе железа.

Поскольку оба суждения, А и Б, являются верными, правильный вариант ответа находится под номером 3.

Ответ: 3

4. Железо окисляется до степени окисления $+2$ при действии на него

1) хлорида меди(II)

2) хлора

3) кислорода

4) воды

Решение

Чтобы определить, какое из предложенных веществ окисляет железо ($Fe$) до степени окисления +2, проанализируем каждую реакцию. Изначально степень окисления железа как простого вещества равна 0.

Железо является более химически активным металлом, чем медь, и поэтому способно вытеснять её из растворов солей. Реакция с хлоридом меди(II) ($CuCl_2$) описывается уравнением:
$Fe + CuCl_2 \rightarrow FeCl_2 + Cu$
В ходе этой реакции железо отдает два электрона, повышая свою степень окисления с 0 до +2: $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{+2}$. Медь, соответственно, восстанавливается. В образующемся хлориде железа(II) ($FeCl_2$) степень окисления железа равна +2. Этот вариант является правильным.

Хлор ($Cl_2$) — это сильный окислитель. При взаимодействии с активными и средней активности металлами, такими как железо, он окисляет их до более высоких степеней окисления. В данном случае железо окисляется до +3.
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$
Продуктом реакции является хлорид железа(III) ($FeCl_3$), в котором степень окисления железа составляет +3. Следовательно, этот вариант не подходит.

Кислород ($O_2$) также является сильным окислителем. В зависимости от условий (температура, избыток кислорода) реакция железа с кислородом может приводить к образованию разных оксидов. Чаще всего образуется железная окалина ($Fe_3O_4$) или оксид железа(III) ($Fe_2O_3$).
$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$
$4Fe + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3$
В оксиде железа(III) степень окисления железа равна +3. В железной окалине ($Fe_3O_4$, который можно представить как $FeO \cdot Fe_2O_3$) железо присутствует одновременно в степенях окисления +2 и +3. Так как не происходит окисления исключительно до +2, этот вариант не подходит.

Железо реагирует с водой только при сильном нагревании (с водяным паром). Продуктами реакции являются железная окалина и водород.
$3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t} Fe_3O_4 + 4H_2$
Как и в реакции с кислородом, в продукте ($Fe_3O_4$) железо имеет смешанную степень окисления (+2 и +3), а не исключительно +2. Этот вариант не подходит.

Таким образом, единственным веществом из предложенного списка, которое окисляет железо строго до степени окисления +2, является хлорид меди(II).

Ответ: 1