Страница 165 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. При производстве серной кислоты не используют следующие принципы химической технологии:

1) противоток

2) понижение температуры

3) циркуляцию

4) теплообмен

5) понижение давления

Для определения принципа, который не используется в производстве серной кислоты, проанализируем каждую из стадий этого процесса и применяемые технологические решения.

1) противоток

Принцип противотока активно используется на стадии поглощения серного ангидрида ($SO_3$) в абсорбционных башнях. Газ, содержащий $SO_3$, движется снизу вверх, а навстречу ему сверху вниз стекает поглотитель — концентрированная серная кислота. Такое встречное движение потоков обеспечивает наиболее полное поглощение и максимальную скорость процесса. Следовательно, этот принцип используется.

2) понижение температуры

Центральная стадия производства — каталитическое окисление $SO_2$ в $SO_3$ — является обратимой и экзотермической:

$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продукта ($SO_3$), то есть для увеличения выхода, необходимо понижать температуру. На практике в контактном аппарате поддерживают оптимальную температуру (450–500 °C), а между слоями катализатора газовую смесь охлаждают, реализуя принцип понижения температуры для смещения равновесия. Следовательно, этот принцип используется.

3) циркуляция

Принцип циркуляции (рециркуляции) предполагает возврат части продуктов или непрореагировавших веществ на предыдущие стадии. В производстве серной кислоты непрореагировавшие газы могут возвращаться в контактный аппарат для повышения степени превращения $SO_2$. Также циркулирует поглощающий раствор серной кислоты в абсорбере. Следовательно, этот принцип используется.

4) теплообмен

Процесс окисления $SO_2$ сопровождается выделением большого количества теплоты. Эту теплоту используют для подогрева исходной газовой смеси (сернистый газ и воздух) перед ее поступлением в контактный аппарат. Это классический пример использования принципа теплообмена для экономии энергии и поддержания технологического режима. Следовательно, этот принцип используется.

5) понижение давления

Рассмотрим снова реакцию окисления: $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г)$.

В ходе реакции из 3 объемов (или молей) газообразных реагентов образуется 2 объема (или моля) газообразного продукта. Реакция идет с уменьшением числа молей газа. Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема, то есть в сторону образования $SO_3$. Соответственно, понижение давления будет смещать равновесие в обратную сторону, уменьшая выход продукта. Поэтому понижение давления является технологически невыгодным и не используется в производстве серной кислоты.

Ответ: 5

12. Установите соответствие между веществами и реактивом, с по-мощью которого их можно различить.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

A) $CaCl_2$ и $NH_4Cl$

1) $CO_2$

Б) $KCl$ и $K_2CO_3$

2) $NaOH$

В) $Na_2SO_4$ и $Ba(NO_3)_2$

3) $H_2SO_4$

4) $BaCl_2$

А) $CaCl_2$ и $NH_4Cl$

Для различения хлорида кальция ($CaCl_2$) и хлорида аммония ($NH_4Cl$) используется реактив под номером 2) $NaOH$ (гидроксид натрия). При добавлении раствора гидроксида натрия к этим солям будут наблюдаться разные качественные признаки.

1. В пробирке с хлоридом кальция при добавлении $NaOH$ выпадает белый осадок гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$), который является малорастворимым основанием.

Уравнение реакции: $CaCl_2 + 2NaOH \rightarrow Ca(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

2. В пробирке с хлоридом аммония при добавлении $NaOH$ (особенно при нагревании) происходит выделение бесцветного газа с резким характерным запахом – аммиака ($NH_3$). Это качественная реакция на ион аммония $NH_4^+$.

Уравнение реакции: $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$

Таким образом, по выпадению осадка и выделению газа можно однозначно различить эти два вещества.

Ответ: 2

Б) $KCl$ и $K_2CO_3$

Для различения хлорида калия ($KCl$) и карбоната калия ($K_2CO_3$) подходит реактив 3) $H_2SO_4$ (серная кислота). В обоих случаях катион калия ($K^+$) не будет давать видимых реакций с предложенными реактивами, поэтому различение проводится по анионам: хлорид-иону ($Cl^-$) и карбонат-иону ($CO_3^{2-}$).

1. При добавлении серной кислоты к раствору хлорида калия видимых изменений не произойдет, так как все возможные продукты реакции растворимы, а сама реакция обмена не идет (соль сильной кислоты не вытесняется другой сильной кислотой в растворе).

2. При добавлении серной кислоты к раствору карбоната калия произойдет бурная реакция с выделением бесцветного газа без запаха (углекислого газа, $CO_2$), что является качественной реакцией на карбонат-ион.

Уравнение реакции: $K_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Следовательно, по признаку выделения газа ("вскипанию" раствора) можно отличить карбонат калия от хлорида калия.

Ответ: 3

В) $Na_2SO_4$ и $Ba(NO_3)_2$

Для различения сульфата натрия ($Na_2SO_4$) и нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$) следует использовать реактив 4) $BaCl_2$ (хлорид бария). Различение основано на качественных реакциях на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) и ион бария ($Ba^{2+}$).

1. При добавлении раствора хлорида бария к раствору сульфата натрия будет наблюдаться образование густого белого осадка сульфата бария ($BaSO_4$), нерастворимого в воде и кислотах. Это качественная реакция на $SO_4^{2-}$-ион.

Уравнение реакции: $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaCl$

2. При добавлении раствора хлорида бария к раствору нитрата бария никакой видимой реакции не произойдет, так как у этих солей общий катион ($Ba^{2+}$) и все ионы в растворе совместимы.

Таким образом, по наличию или отсутствию белого осадка можно легко различить эти два вещества.

Ответ: 4

13. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$P \rightarrow Mg_3P_2 \rightarrow PH_3 \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4$

Решение

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо написать уравнения химических реакций для каждой стадии.

P → Mg₃P₂

Получение фосфида магния из фосфора. Это реакция соединения, в которой фосфор реагирует с активным металлом магнием при нагревании. Магний является восстановителем, а фосфор — окислителем.

$2P + 3Mg \xrightarrow{t} Mg_3P_2$

Ответ: $2P + 3Mg \rightarrow Mg_3P_2$

Mg₃P₂ → PH₃

Получение фосфина ($PH_3$). Фосфиды активных металлов, такие как фосфид магния, подвергаются гидролизу при взаимодействии с водой или кислотами. Реакция с соляной кислотой является типичным лабораторным способом получения фосфина.

$Mg_3P_2 + 6HCl \rightarrow 2PH_3\uparrow + 3MgCl_2$

Ответ: $Mg_3P_2 + 6HCl \rightarrow 2PH_3 + 3MgCl_2$

PH₃ → P₂O₅

Окисление фосфина до оксида фосфора(V). Фосфин является горючим газом и при сжигании в избытке кислорода образует высший оксид фосфора ($P_2O_5$) и воду.

$2PH_3 + 4O_2 \xrightarrow{t} P_2O_5 + 3H_2O$

Ответ: $2PH_3 + 4O_2 \rightarrow P_2O_5 + 3H_2O$

P₂O₅ → H₃PO₄

Получение ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Оксид фосфора(V) является кислотным оксидом (фосфорным ангидридом) и при реакции с водой образует соответствующую кислоту. Для получения именно ортофосфорной кислоты реакцию проводят с горячей водой.

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

14. При растворении технического цинка в избытке разбавленной соляной кислоты выделилось 3,1 л водорода (н. у.). Определите массовую долю примесей в этом образце цинка.

Примечание: В условии задачи отсутствует масса исходного образца технического цинка. Без этой величины невозможно найти массовую долю примесей. Типовые варианты этой задачи предполагают массу образца равной 10 г. Дальнейшее решение основано на этом предположении.

$V(H_2) = 3,1 \text{ л}$ (н. у.)

$m_{образца} = 10 \text{ г}$ (предположение)

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

$\omega(\text{примесей}) - ?$

Запишем уравнение реакции растворения цинка в соляной кислоте. Предполагаем, что примеси, содержащиеся в техническом цинке, не реагируют с соляной кислотой с выделением водорода.

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

1. Найдем количество вещества (моль) выделившегося водорода. Объем водорода дан при нормальных условиях (н. у.), поэтому используем молярный объем газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{3,1 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,1384 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции, из 1 моль цинка образуется 1 моль водорода. Следовательно, количество вещества цинка, вступившего в реакцию, равно количеству вещества выделившегося водорода:

$n(Zn) = n(H_2) \approx 0,1384 \text{ моль}$

3. Вычислим массу чистого цинка, который прореагировал. Молярная масса цинка $M(Zn) \approx 65 \text{ г/моль}$:

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) \approx 0,1384 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} \approx 8,996 \text{ г}$

4. Теперь можно найти массу примесей в образце. Она равна разности между общей массой образца технического цинка и массой чистого цинка:

$m(\text{примесей}) = m_{образца} - m(Zn) = 10 \text{ г} - 8,996 \text{ г} = 1,004 \text{ г}$

5. Определим массовую долю примесей в образце. Массовая доля ($\omega$) - это отношение массы компонента к общей массе смеси, выраженное в процентах:

$\omega(\text{примесей}) = \frac{m(\text{примесей})}{m_{образца}} \cdot 100\% = \frac{1,004 \text{ г}}{10 \text{ г}} \cdot 100\% = 10,04\%$

Ответ: массовая доля примесей в образце цинка составляет 10,04%.

1. В атоме химического элемента, формула высшего оксида которого $ЭO_2$, следующее распределение электронов:

1) 2e, 6e

2) 2e, 2e

3) 2e, 4e

4) 2e, 8e

Дано:

Формула высшего оксида химического элемента Э: $ЭО_2$

Найти:

Распределение электронов в атоме элемента Э.

Решение:

1. Определим степень окисления элемента Э в его высшем оксиде $ЭО_2$. Степень окисления кислорода в оксидах, как правило, равна -2. Молекула оксида является электронейтральной, поэтому сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Пусть степень окисления элемента Э равна $x$.

Составим и решим уравнение:
$x + 2 \cdot (-2) = 0$
$x - 4 = 0$
$x = +4$

2. Высшая степень окисления элемента Э равна +4. Для элементов главных подгрупп номер группы в периодической системе равен числу валентных электронов (электронов на внешнем энергетическом уровне) и совпадает с высшей степенью окисления. Таким образом, элемент Э находится в IV группе и имеет 4 электрона на внешнем энергетическом уровне.

3. Проанализируем предложенные варианты распределения электронов по энергетическим уровням, чтобы найти тот, который соответствует атому с 4 электронами на внешнем уровне.

1) 2e, 6e — на внешнем уровне 6 электронов. Это соответствует элементу VI группы. Высший оксид для таких элементов имеет формулу $ЭО_3$ (например, $SO_3$). Этот вариант не подходит.

2) 2e, 2e — на внешнем уровне 2 электрона. Это соответствует элементу II группы. Высший оксид для таких элементов имеет формулу $ЭО$ (например, $BeO$). Этот вариант не подходит.

3) 2e, 4e — на внешнем уровне 4 электрона. Это соответствует элементу IV группы (например, углероду C). Высший оксид для таких элементов имеет формулу $ЭО_2$ (например, $CO_2$). Этот вариант подходит.

4) 2e, 8e — на внешнем уровне 8 электронов. Это соответствует элементу VIII группы (инертный газ неон Ne), у которого завершенный внешний электронный слой. Он не образует оксид состава $ЭО_2$. Этот вариант не подходит.

Следовательно, правильное распределение электронов для атома элемента Э — 2e, 4e.

Ответ: 3) 2e, 4e

2. Укажите формулу высшего гидроксида элементов VIA-группы.

1) $H_2ЭO_4$

2) $H_2ЭO_3$

3) $HЭO_4$

4) $H_3ЭO_4$

Решение

Элементы VIA-группы (16-й группы) периодической таблицы, такие как сера (S), селен (Se) и теллур (Te), в своих высших оксидах и гидроксидах проявляют высшую степень окисления, которая равна номеру группы, то есть +6.

Высшим гидроксидом для неметаллов является кислородсодержащая кислота, в которой центральный атом находится в высшей степени окисления.

Высшему оксиду элемента VIA-группы (обозначим его как Э) соответствует формула $ЭO_3$. При взаимодействии этого оксида с водой образуется соответствующая кислота (высший гидроксид):
$ЭO_3 + H_2O \rightarrow H_2ЭO_4$

Чтобы убедиться, что в кислоте $H_2ЭO_4$ элемент Э имеет степень окисления +6, составим уравнение, исходя из того, что суммарный заряд молекулы равен нулю. Степень окисления водорода H равна +1, а кислорода O равна -2. Пусть степень окисления элемента Э равна $x$:
$2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$
$2 + x - 8 = 0$
$x = 6$

Следовательно, степень окисления элемента Э равна +6, что соответствует высшей степени окисления для элементов VIA-группы. Примерами таких кислот являются серная кислота $H_2SO_4$ и селеновая кислота $H_2SeO_4$.

Проанализируем предложенные варианты:

• 1) $H_2ЭO_4$: степень окисления Э равна +6. Это соответствует высшему гидроксиду элементов VIA-группы.
• 2) $H_2ЭO_3$: степень окисления Э равна +4. Это не высший гидроксид (например, сернистая кислота $H_2SO_3$).
• 3) $HЭO_4$: степень окисления Э равна +7. Это характерно для высших гидроксидов элементов VIIA-группы (например, хлорная кислота $HClO_4$).
• 4) $H_3ЭO_4$: степень окисления Э равна +5. Это характерно для высших гидроксидов элементов VA-группы (например, фосфорная кислота $H_3PO_4$).

Таким образом, правильная формула — $H_2ЭO_4$.

Ответ: 1) $H_2ЭO_4$