Страница 167 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

10. В уравнении реакции

$Si + 4HNO_3 = 4NO_2 + 2SiO_2 + 2H_2O$

окислителем служит

1) $Si^0$

2) $N^{+5}$

3) $H^{+}$

4) $N^{+4}$

Чтобы определить, какое вещество является окислителем в данной реакции, необходимо проанализировать изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагентов и продуктов.

Окислитель — это атом, молекула или ион, который в ходе химической реакции принимает электроны. При этом сам окислитель восстанавливается, а его степень окисления понижается.

Восстановитель — это атом, молекула или ион, который отдает электроны. При этом сам восстановитель окисляется, а его степень окисления повышается.

Рассмотрим уравнение реакции (в вопросе допущена опечатка в коэффициенте перед $SiO_2$, верное уравнение: $Si + 4HNO_3 = SiO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$. Однако для определения окислителя и восстановителя важны именно изменения степеней окисления, а не стехиометрические коэффициенты):

$Si + 4HNO_3 = 4NO_2 + SiO_2 + 2H_2O$

Определим степени окисления для каждого элемента в реагентах и продуктах:

1. В реагентах:

• $Si^0$ (кремний — простое вещество, степень окисления равна 0).
• $H^{+1}N^{+5}O_3^{-2}$ (в азотной кислоте у водорода +1, у кислорода -2, следовательно, у азота +5).

2. В продуктах:

• $N^{+4}O_2^{-2}$ (в диоксиде азота у кислорода -2, следовательно, у азота +4).
• $Si^{+4}O_2^{-2}$ (в диоксиде кремния у кислорода -2, следовательно, у кремния +4).
• $H_2^{+1}O^{-2}$ (в воде у водорода +1, у кислорода -2).

Теперь проанализируем изменения степеней окисления:

• Кремний ($Si$) изменил свою степень окисления с 0 до +4 ($Si^0 \rightarrow Si^{+4}$). Степень окисления повысилась, значит, кремний отдал электроны, то есть окислился. Вещество, которое окисляется, является восстановителем.
• Азот ($N$) изменил свою степень окисления с +5 до +4 ($N^{+5} \rightarrow N^{+4}$). Степень окисления понизилась, значит, азот принял электроны, то есть восстановился. Вещество, которое восстанавливается (в данном случае азот в составе азотной кислоты), является окислителем.
• Степени окисления водорода ($H$) и кислорода ($O$) не изменились.

Таким образом, окислителем в данной реакции является азот в степени окисления +5, который входит в состав азотной кислоты ($HNO_3$).

Среди предложенных вариантов ответа:
1) $Si^0$ – это восстановитель.
2) $N^{+5}$ – это окислитель.
3) $H^+$ – не изменяет степень окисления.
4) $N^{+4}$ – это продукт восстановления окислителя.

Следовательно, правильный вариант — 2.

Ответ: 2

11. Фосфор получают спеканием фосфата кальция

1) с песком

2) с кремнием

3) с коксом

4) с известняком

5) с глиной

Решение

В промышленности фосфор получают электротермическим методом. Этот процесс заключается в восстановлении фосфата кальция, который является основной составляющей природных минералов — фосфоритов и апатитов. Восстановление проводят при высокой температуре (около $1400-1600^{\circ}C$) в электрических печах, спекая фосфат кальция в смеси с коксом и песком.

В этом процессе каждый из компонентов шихты (исходной смеси) выполняет свою важную роль:

• Фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$) — является сырьем, то есть источником фосфора.
• Кокс (углерод, C) — выступает в роли восстановителя. Он отнимает кислород у оксида фосфора(V), восстанавливая фосфор из степени окисления +5 до 0 (простое вещество).
• Песок (диоксид кремния, $SiO_2$) — играет роль флюса. Являясь кислотным оксидом, он взаимодействует с образующимся в ходе реакции основным оксидом кальция ($CaO$). В результате образуется силикат кальция ($CaSiO_3$), который при температуре процесса находится в виде жидкого шлака и легко отделяется. Добавление песка делает весь процесс термодинамически более выгодным и позволяет проводить его при более низкой температуре, чем потребовалось бы для прямого восстановления фосфата кальция углеродом.

Суммарное уравнение реакции, протекающей в печи, выглядит следующим образом:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{t} P_4\uparrow + 6CaSiO_3 + 10CO\uparrow$

Исходя из описания процесса, проанализируем предложенные варианты ответа:

1. с песком — Верно. Песок (диоксид кремния) является одним из ключевых компонентов смеси для получения фосфора.
2. с кремнием — Неверно. Восстановителем в данном промышленном процессе служит углерод (кокс), а не кремний.
3. с коксом — Верно. Кокс (углерод) является восстановителем, без него получение элементарного фосфора невозможно.
4. с известняком — Неверно. Известняк ($CaCO_3$) — источник основного оксида кальция, который наоборот, связывается в шлак, а не добавляется в шихту.
5. с глиной — Неверно. Глина имеет сложный алюмосиликатный состав и не используется в данном процессе в качестве основного реагента.

Таким образом, для получения фосфора необходимо спекание фосфата кальция с обоими компонентами: и с песком, и с коксом.

Фосфор получают спеканием фосфата кальция с песком и коксом. Следовательно, правильными являются варианты ответа 1) и 3).

12. Установите соответствие между солью и продуктами её разложения.

СОЛЬ

ПРОДУКТЫ РАЗЛОЖЕНИЯ

А) $KNO_3$

Б) $AgNO_3$

В) $Cu(NO_3)_2$

1) $Ag$, $NO_2$, $O_2$

2) $CuO$, $NO_2$, $O_2$

3) $KNO_2$, $O_2$

4) $Ag_2O$, $NO_2$, $O_2$

5) $CuO$, $NO_2$

Для установления соответствия необходимо знать правила термического разложения нитратов, которые зависят от положения металла в электрохимическом ряду напряжений.

1. Нитраты металлов, стоящих левее магния ($Mg$) в ряду активности (например, $K, Na, Ca$), разлагаются до нитрита и кислорода.
2. Нитраты металлов от магния до меди ($Cu$) включительно, а также нитрат лития ($LiNO_3$), разлагаются до оксида металла, диоксида азота и кислорода.
3. Нитраты металлов, стоящих правее меди (например, $Ag, Hg, Au$), разлагаются до чистого металла, диоксида азота и кислорода.

А) $KNO_3$

Калий ($K$) — активный металл, стоящий в ряду напряжений левее магния. Согласно правилу 1, нитрат калия при нагревании разлагается с образованием нитрита калия ($KNO_2$) и кислорода ($O_2$).

Уравнение реакции: $2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2 \uparrow$

Следовательно, продуктами разложения являются $KNO_2$ и $O_2$, что соответствует варианту 3.

Ответ: 3

Б) $AgNO_3$

Серебро ($Ag$) — неактивный металл, стоящий в ряду напряжений правее меди. Согласно правилу 3, нитрат серебра при нагревании разлагается с образованием металлического серебра ($Ag$), диоксида азота ($NO_2$) и кислорода ($O_2$).

Уравнение реакции: $2AgNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2Ag + 2NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Следовательно, продуктами разложения являются $Ag, NO_2, O_2$, что соответствует варианту 1.

Ответ: 1

В) $Cu(NO_3)_2$

Медь ($Cu$) — металл средней активности, находящийся в ряду напряжений между магнием и медью. Согласно правилу 2, нитрат меди(II) при нагревании разлагается с образованием оксида меди(II) ($CuO$), диоксида азота ($NO_2$) и кислорода ($O_2$).

Уравнение реакции: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + 4NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Следовательно, продуктами разложения являются $CuO, NO_2, O_2$, что соответствует варианту 2.

Ответ: 2

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

$N_2 \rightarrow NH_3 \rightarrow NH_4NO_3 \rightarrow KNO_3 \rightarrow O_2$

Решение

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести четыре последовательные химические реакции.

1. N₂ → NH₃

Первый этап – получение аммиака ($NH_3$) из молекулярного азота ($N_2$). Это промышленный процесс синтеза аммиака (процесс Габера-Боша), который заключается во взаимодействии азота с водородом при высокой температуре (400-500 °C), высоком давлении (150-350 атм) и в присутствии катализатора (например, пористого железа). Реакция является обратимой.
Уравнение реакции:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Ответ: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. NH₃ → NH₄NO₃

Второй этап – получение нитрата аммония ($NH_4NO_3$) из аммиака ($NH_3$). Для этого аммиак, обладающий основными свойствами, должен прореагировать с азотной кислотой ($HNO_3$). Эта реакция является реакцией соединения (нейтрализации).
Уравнение реакции:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

Ответ: $NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

3. NH₄NO₃ → KNO₃

Третий этап – получение нитрата калия ($KNO_3$) из нитрата аммония ($NH_4NO_3$). Это можно осуществить с помощью реакции ионного обмена. Например, при взаимодействии раствора нитрата аммония с раствором гидроксида калия ($KOH$). В результате реакции образуется нитрат калия, а также выделяется газообразный аммиак и образуется вода. Выделение газа смещает равновесие в сторону продуктов реакции.
Уравнение реакции:

$NH_4NO_3 + KOH \rightarrow KNO_3 + NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: $NH_4NO_3 + KOH \rightarrow KNO_3 + NH_3 \uparrow + H_2O$

4. KNO₃ → O₂

Четвертый этап – получение кислорода ($O_2$) из нитрата калия ($KNO_3$). Кислород можно получить путем термического разложения нитрата калия при нагревании (при температуре около 400 °C). При этом образуется нитрит калия ($KNO_2$) и выделяется газообразный кислород.
Уравнение реакции:

$2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2 \uparrow$

Ответ: $2KNO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KNO_2 + O_2 \uparrow$

14. При растворении 180 г известняка в избытке азотной кислоты выделилось 34,27 л углекислого газа (н. у.). Определите массовую долю карбоната кальция в известняке.

Дано:

$m(\text{известняка}) = 180 \text{ г}$

$V(CO_2) = 34,27 \text{ л}$ (н. у.)

Найти:

$\omega(CaCO_3) - ?$

Решение:

Известняк – это горная порода, основным компонентом которой является карбонат кальция ($CaCO_3$). При реакции с азотной кислотой ($HNO_3$), именно карбонат кальция вступает в реакцию с выделением углекислого газа. Примеси, содержащиеся в известняке, в данной реакции не участвуют. Поскольку азотная кислота дана в избытке, весь карбонат кальция реагирует без остатка.

1. Запишем уравнение химической реакции растворения карбоната кальция в азотной кислоте:

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

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) выделившегося углекислого газа ($CO_2$). Объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), поэтому для расчета используем молярный объем газа $V_m = 22,4$ л/моль.

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{34,27 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 1,5299 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, стехиометрическое соотношение между карбонатом кальция и углекислым газом составляет 1:1.

$\frac{n(CaCO_3)}{1} = \frac{n(CO_2)}{1}$

Следовательно, количество вещества карбоната кальция равно количеству вещества углекислого газа:

$n(CaCO_3) = n(CO_2) \approx 1,5299 \text{ моль}$

4. Вычислим молярную массу карбоната кальция ($CaCO_3$), используя относительные атомные массы элементов из Периодической таблицы:

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

5. Найдем массу чистого карбоната кальция, который содержался в 180 г известняка:

$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3) \approx 1,5299 \text{ моль} \cdot 100 \text{ г/моль} \approx 152,99 \text{ г}$

6. Определим массовую долю ($\omega$) карбоната кальция в известняке. Массовая доля вещества в смеси – это отношение массы этого вещества к общей массе смеси.

$\omega(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{m(\text{известняка})} = \frac{152,99 \text{ г}}{180 \text{ г}} \approx 0,8499$

Округлив до сотых, получаем 0,85. Для выражения в процентах, результат умножается на 100%:

$0,85 \cdot 100\% = 85\%$

Ответ: массовая доля карбоната кальция в известняке составляет 0,85 или 85%.

1. В атоме химического элемента, проявляющего в водородном соединении степень окисления $-1$, следующее распределение электронов:

1) 2e, 8e, 1e

2) 2e, 8e, 6e

3) 2e, 8e, 2e

4) 2e, 8e, 7e

Решение

В условии задачи сказано, что химический элемент проявляет в водородном соединении степень окисления $-1$. Водород в соединениях с более электроотрицательными элементами (большинством неметаллов) имеет степень окисления $+1$.

Пусть искомый элемент обозначается буквой Э. В его водородном соединении, которое будет иметь формулу НЭ, сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Если степень окисления водорода (Н) равна $+1$, то степень окисления элемента Э должна быть $-1$, чтобы их сумма была равна нулю:
$(+1) + x = 0 \implies x = -1$

Степень окисления $-1$ означает, что атому элемента для достижения стабильной электронной конфигурации (как правило, восьмиэлектронной внешней оболочки, или октета) необходимо принять один электрон. Это свойственно атомам, у которых на внешнем энергетическом уровне находится 7 электронов. Такие элементы являются неметаллами и относятся к 17-й группе (VIIA группе) Периодической системы — галогенам.

Рассмотрим предложенные варианты распределения электронов по энергетическим уровням. Последнее число в каждой последовательности соответствует числу электронов на внешнем (валентном) уровне.

1) 2e, 8e, 1e
На внешнем уровне находится 1 электрон. Это элемент 1-й группы (щелочной металл, натрий). Он склонен отдавать один электрон, образуя ион с зарядом $+1$ и проявляя степень окисления $+1$. В соединении с водородом ($NaH$) степень окисления натрия $+1$, а водорода $-1$. Этот вариант не подходит.

2) 2e, 8e, 6e
На внешнем уровне 6 электронов. Это элемент 16-й группы (сера). Ему не хватает 2 электронов до завершения октета, поэтому в водородном соединении ($H_2S$) он проявляет степень окисления $-2$. Этот вариант не подходит.

3) 2e, 8e, 2e
На внешнем уровне 2 электрона. Это элемент 2-й группы (щелочноземельный металл, магний). Он отдает 2 электрона и проявляет степень окисления $+2$. В соединении с водородом ($MgH_2$) степень окисления магния $+2$, а водорода $-1$. Этот вариант не подходит.

4) 2e, 8e, 7e
На внешнем уровне 7 электронов. Это элемент 17-й группы (галоген, хлор). Ему не хватает одного электрона для завершения внешнего уровня. В водородном соединении ($HCl$) хлор является более электроотрицательным элементом, чем водород, и поэтому принимает электрон, проявляя степень окисления $-1$. Этот вариант полностью соответствует условию задачи.

Ответ: 4