Страница 172 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

2. Укажите металл, проявляющий переменную степень окисления.

1) $Be$

2) $Al$

3) $Fe$

4) $Zn$

Решение

Для определения металла, проявляющего переменную степень окисления, необходимо проанализировать электронное строение и положение каждого элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

1) Be (Бериллий)
Бериллий — элемент 2-й группы (IIA), главной подгруппы. Его электронная конфигурация $1s^22s^2$. В химических соединениях он отдает два валентных электрона, проявляя единственную и постоянную степень окисления +2.

2) Al (Алюминий)
Алюминий — элемент 13-й группы (IIIA), главной подгруппы. Его электронная конфигурация $[\text{Ne}]3s^23p^1$. В соединениях он отдает три валентных электрона и проявляет постоянную степень окисления +3.

3) Fe (Железо)
Железо — элемент 8-й группы (VIIIB), побочной подгруппы. Это переходный металл с электронной конфигурацией $[\text{Ar}]3d^64s^2$. Переходные металлы способны проявлять переменные степени окисления, так как в образовании химических связей у них могут участвовать электроны не только внешнего $s$-подуровня, но и предвнешнего $d$-подуровня. Железо образует соединения со степенями окисления +2 (отдавая два $4s$-электрона, например, в $FeCl_2$) и +3 (отдавая два $4s$-электрона и один $3d$-электрон, например, в $FeCl_3$). Существуют и другие, менее распространенные степени окисления, например, +6. Таким образом, железо проявляет переменную степень окисления.

4) Zn (Цинк)
Цинк — элемент 12-й группы (IIB), побочной подгруппы. Его электронная конфигурация $[\text{Ar}]3d^{10}4s^2$. Несмотря на то что цинк является $d$-элементом, его $d$-подуровень полностью завершен, что придает ему устойчивость. Поэтому цинк в химических реакциях отдает только два электрона с внешнего $4s$-уровня и проявляет постоянную степень окисления +2.

Следовательно, из предложенного списка только железо (Fe) является металлом, который проявляет переменную степень окисления.
Ответ: 3) Fe

3. Наибольшей восстановительной способностью обладает

1) Ca

2) K

3) Rb

4) Mg

Решение

Восстановительная способность — это мера способности химического элемента отдавать свои электроны. Чем легче атом отдает валентные электроны, тем выше его восстановительная способность. В Периодической системе химических элементов эта характеристика изменяется закономерно.

• В периодах (горизонтальных рядах) при движении слева направо восстановительные свойства ослабевают. Это происходит из-за увеличения заряда ядра при неизменном числе электронных слоев, что приводит к более сильному притяжению валентных электронов.
• В группах (вертикальных столбцах), особенно в главных подгруппах, при движении сверху вниз восстановительные свойства усиливаются. Это связано с увеличением числа электронных слоев, в результате чего валентные электроны находятся дальше от ядра, слабее с ним связаны и могут быть легче отданы.

Проанализируем положение предложенных элементов в Периодической системе:

• Ca (Кальций): 4-й период, IIA группа.
• K (Калий): 4-й период, IA группа.
• Rb (Рубидий): 5-й период, IA группа.
• Mg (Магний): 3-й период, IIA группа.

Применим указанные закономерности для сравнения:

1. Сравниваем элементы по группам. Элементы IA группы (K, Rb) являются более сильными восстановителями, чем элементы IIA группы (Mg, Ca), так как щелочные металлы легче отдают свой единственный валентный электрон.

2. Из этого следует, что самый сильный восстановитель нужно искать среди K и Rb.

3. Сравниваем K и Rb. Оба элемента находятся в IA группе. Rb расположен под K. В группе восстановительная способность растет сверху вниз. Следовательно, рубидий (Rb) является более сильным восстановителем, чем калий (K).

Таким образом, из всех представленных элементов рубидий (Rb) обладает наибольшей восстановительной способностью.

Ответ: 3) Rb.

4. Медь взаимодействует с каждым из двух веществ:

1) серой и раствором серной кислоты

2) гидроксидом натрия и кислородом

3) бромом и нитратом серебра

4) соляной кислотой и водой

Для того чтобы определить, с какими из предложенных веществ взаимодействует медь, необходимо проанализировать каждый вариант ответа, основываясь на химических свойствах меди ($Cu$).

1) серой и раствором серной кислоты

Медь реагирует с серой ($S$) при нагревании, в результате чего образуется сульфид меди(I) или сульфид меди(II):
$2Cu + S \xrightarrow{t} Cu_2S$
Медь — металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений после водорода, поэтому она не вытесняет водород из растворов кислот-неокислителей, к которым относится разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$).
$Cu + H_2SO_4(разб.) \rightarrow$ реакция не идет.
Так как медь реагирует только с одним из двух веществ, данный вариант не является правильным.

2) гидроксидом натрия и кислородом

Медь не обладает амфотерными свойствами, поэтому не вступает в реакцию с растворами щелочей, в том числе с гидроксидом натрия ($NaOH$).
При нагревании медь реагирует с кислородом ($O_2$) с образованием оксида меди(II):
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$
Так как медь реагирует только с одним из двух веществ, данный вариант не является правильным.

3) бромом и нитратом серебра

Медь реагирует с галогенами, в частности с бромом ($Br_2$), образуя соль — бромид меди(II):
$Cu + Br_2 \rightarrow CuBr_2$
Медь является более активным металлом, чем серебро ($Ag$), и вытесняет его из растворов его солей. Реакция с нитратом серебра ($AgNO_3$) протекает по следующей схеме:
$Cu(тв) + 2AgNO_3(р-р) \rightarrow Cu(NO_3)_2(р-р) + 2Ag(тв)\downarrow$
Поскольку медь реагирует с обоими веществами, данный вариант является правильным.

4) соляной кислотой и водой

Медь не реагирует с соляной кислотой ($HCl$), так как не способна вытеснить водород из кислот-неокислителей.
С водой ($H_2O$) при обычных условиях медь также не взаимодействует.
Так как медь не реагирует ни с одним из предложенных веществ, данный вариант не является правильным.

Ответ: 3

5. Верны ли следующие суждения о свойствах металлов?

А. Железо пассивируется раствором серной кислоты.

Б. При сгорании натрия и калия на воздухе образуются пероксиды металлов.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

Для определения верности суждений проанализируем каждое из них по отдельности.

А. Железо пассивируется раствором серной кислоты.

Пассивация — это явление, при котором на поверхности металла образуется тонкая, химически инертная плёнка (чаще всего оксидная), которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с агрессивной средой. Железо действительно пассивируется, но только в концентрированной серной кислоте ($H_2SO_4$) при комнатной температуре. Эта защитная плёнка предотвращает реакцию.

Однако в разбавленном растворе серной кислоты железо, как металл средней активности, стоящий в электрохимическом ряду напряжений до водорода, активно реагирует с образованием сульфата железа(II) и выделением газообразного водорода. Уравнение реакции:

$Fe + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$

Поскольку утверждение сформулировано в общем виде ("раствором серной кислоты") и не уточняет концентрацию, оно не может считаться верным, так как для разбавленного раствора оно ложно. В химии утверждение, которое верно лишь при определённых условиях, но представлено как общее правило, считается неверным. Таким образом, суждение А неверно.

Б. При сгорании натрия и калия на воздухе образуются пероксиды металлов.

Рассмотрим продукты горения указанных щелочных металлов на воздухе (то есть в кислороде).

При сгорании натрия (Na) в избытке кислорода действительно образуется преимущественно пероксид натрия ($Na_2O_2$), где кислород имеет степень окисления -1.

$2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2 \text{ (пероксид натрия)}$

Однако при сгорании калия (K) в тех же условиях образуется не пероксид, а надпероксид (супероксид) калия ($KO_2$), в котором формальная степень окисления кислорода составляет -1/2.

$K + O_2 \rightarrow KO_2 \text{ (надпероксид калия)}$

Утверждение гласит, что оба металла образуют пероксиды. Так как для калия это неверно, всё суждение Б является ложным.

Вывод: оба суждения, А и Б, являются неверными. Следовательно, правильный вариант ответа — 4.

Ответ: 4

6. Только основные оксид и гидроксид может образовывать металл

1) $Al$

2) $Mg$

3) $Fe$

4) $Be$

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать свойства оксидов и гидроксидов, образуемых каждым из предложенных металлов.

1) Al

Алюминий ($Al$) является амфотерным металлом. Его оксид $Al_2O_3$ и гидроксид $Al(OH)_3$ проявляют двойственные (амфотерные) свойства, то есть способны реагировать как с кислотами, так и со щелочами.

Реакция с кислотой: $Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$

Реакция со щелочью: $Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Следовательно, алюминий не образует только основные соединения.
Ответ: неверно.

2) Mg

Магний ($Mg$) — это металл главной подгруппы II группы (щелочноземельный металл). Для металлов I и II групп (кроме бериллия) характерно образование соединений с ярко выраженными основными свойствами.

Оксид магния $MgO$ — это основный оксид. Он реагирует с кислотами, но не вступает в реакцию со щелочами: $MgO + 2HNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + H_2O$.

Гидроксид магния $Mg(OH)_2$ — это основание, которое также проявляет только основные свойства: $Mg(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + 2H_2O$.

Таким образом, магний образует только основные оксид и гидроксид.
Ответ: верно.

3) Fe

Железо ($Fe$) — это переходный металл, который образует соединения с разными свойствами в зависимости от степени окисления.

В степени окисления +2 оксид $FeO$ и гидроксид $Fe(OH)_2$ являются основными.

Однако в степени окисления +3 оксид $Fe_2O_3$ и гидроксид $Fe(OH)_3$ проявляют амфотерные свойства (с преобладанием основных), реагируя с концентрированными щелочами при нагревании.

Поскольку железо способно образовывать амфотерные соединения, оно не удовлетворяет условию задачи.
Ответ: неверно.

4) Be

Бериллий ($Be$), несмотря на положение во II группе, является амфотерным металлом. Это связано с его малым атомным радиусом и высокой электроотрицательностью по сравнению с другими металлами этой группы.

Оксид бериллия $BeO$ и гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ являются типичными амфотерными соединениями.

Реакция с кислотой: $BeO + 2HCl \rightarrow BeCl_2 + H_2O$

Реакция со щелочью: $BeO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Be(OH)_4]$

Следовательно, бериллий не образует только основные соединения.
Ответ: неверно.

Таким образом, единственный металл из предложенного списка, который образует только основные оксид и гидроксид, — это магний.

Ответ: 2

7. Гидроксид бериллия может взаимодействовать с веществами, формулы которых

1) $Cu(OH)_2$ и $HCl$

2) $NaOH$ и $K_2SO_4$

3) $HNO_3$ и $KOH$

4) $H_2SO_4$ и $Mg(OH)_2$

Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ является амфотерным гидроксидом. Амфотерные соединения способны проявлять как основные, так и кислотные свойства, то есть они могут реагировать и с кислотами, и с сильными основаниями (щелочами).

Проанализируем каждую пару веществ:

1) $Cu(OH)_2$ и $HCl$
Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ будет реагировать с соляной кислотой $HCl$ (реакция нейтрализации), так как проявляет основные свойства:$Be(OH)_2 + 2HCl \rightarrow BeCl_2 + 2H_2O$Однако $Be(OH)_2$ не будет реагировать с гидроксидом меди(II) $Cu(OH)_2$, так как оба являются нерастворимыми гидроксидами, и $Cu(OH)_2$ не является щелочью, чтобы прореагировать с амфотерным гидроксидом.Ответ: неверно.

2) $NaOH$ и $K_2SO_4$
Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ будет реагировать с гидроксидом натрия $NaOH$ (щелочь), так как проявляет кислотные свойства:$Be(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Be(OH)_4]$ (тетрагидроксобериллат натрия)Однако $Be(OH)_2$ не будет реагировать с сульфатом калия $K_2SO_4$, так как это средняя соль, и условия для протекания реакции ионного обмена не выполняются.Ответ: неверно.

3) $HNO_3$ и $KOH$
Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ будет реагировать с азотной кислотой $HNO_3$, проявляя основные свойства:$Be(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Be(NO_3)_2 + 2H_2O$Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ также будет реагировать с гидроксидом калия $KOH$ (щелочь), проявляя кислотные свойства:$Be(OH)_2 + 2KOH \rightarrow K_2[Be(OH)_4]$ (тетрагидроксобериллат калия)Так как гидроксид бериллия реагирует с обоими веществами, этот вариант является правильным.Ответ: верно.

4) $H_2SO_4$ и $Mg(OH)_2$
Гидроксид бериллия $Be(OH)_2$ будет реагировать с серной кислотой $H_2SO_4$:$Be(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BeSO_4 + 2H_2O$Однако $Be(OH)_2$ не будет реагировать с гидроксидом магния $Mg(OH)_2$, так как $Mg(OH)_2$ является слабым, нерастворимым основанием (не щелочью).Ответ: неверно.

8. В схеме превращений

$Al(OH)_3 \rightarrow X \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

веществу Х соответствует формула

1) $Al_2O_3$

2) $Al$

3) $AlPO_4$

4) $NaOH$

Решение

Рассмотрим предложенную схему химических превращений: $Al(OH)_3 \rightarrow X \rightarrow Na[Al(OH)_4]$. Чтобы определить вещество X, необходимо проанализировать обе стадии этой цепочки.

Первая стадия представляет собой превращение гидроксида алюминия $Al(OH)_3$ в вещество X. Гидроксид алюминия является нерастворимым в воде основанием, которое при нагревании разлагается. Продуктами такой реакции являются соответствующий оксид и вода. Это типичное свойство для нерастворимых гидроксидов.

Уравнение реакции термического разложения гидроксида алюминия выглядит следующим образом:

$2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O$

Таким образом, веществом X может быть оксид алюминия $Al_2O_3$, что соответствует варианту ответа 1.

Вторая стадия — это превращение вещества X в тетрагидроксоалюминат натрия $Na[Al(OH)_4]$. Проверим, возможно ли это, если X — это $Al_2O_3$. Оксид алюминия $Al_2O_3$ является амфотерным оксидом, то есть он способен реагировать как с кислотами, так и с щелочами. При взаимодействии с водным раствором сильной щелочи, такой как гидроксид натрия ($NaOH$), он образует комплексную соль — тетрагидроксоалюминат натрия.

Уравнение этой реакции:

$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

Поскольку обе реакции в цепочке являются стандартными и химически корректными для соединений алюминия, можно сделать вывод, что вещество X — это оксид алюминия.

Проанализируем другие предложенные варианты. Вариант 2) $Al$ (алюминий) и 3) $AlPO_4$ (фосфат алюминия) являются менее вероятными промежуточными продуктами в данной классической схеме, демонстрирующей амфотерность соединений алюминия. Получение металлического алюминия из гидроксида — сложный процесс, а реакция с фосфатом менее типична. Вариант 4) $NaOH$ (гидроксид натрия) невозможен, так как в исходном веществе $Al(OH)_3$ нет атомов натрия.

Ответ: 1) $Al_2O_3$

9. В свободном состоянии в природе встречается

1) свинец

2) медь

3) натрий

4) цинк

Способность металла находиться в природе в свободном (самородном) состоянии зависит от его химической активности. Чем менее активен металл, тем больше вероятность встретить его в виде простого вещества. Активность металлов определяется их положением в электрохимическом ряду напряжений: металлы, стоящие в ряду левее водорода, как правило, активны и встречаются в виде соединений; металлы правее водорода — менее активны и могут встречаться в самородном виде.

1) свинец
Свинец (Pb) — это металл средней активности, расположенный в ряду напряжений левее водорода. Вследствие своей активности он вступает в реакции с компонентами окружающей среды, поэтому в природе встречается преимущественно в виде соединений, например, в минерале галените ($PbS$). Самородный свинец очень редок.

2) медь
Медь (Cu) — это малоактивный металл, который в ряду напряжений стоит правее водорода. Благодаря своей низкой химической активности, медь, подобно золоту и серебру, часто встречается в природе в свободном, самородном виде. Также она распространена в виде минералов, таких как халькопирит ($CuFeS_2$) или малахит ($Cu_2(OH)_2CO_3$).

3) натрий
Натрий (Na) — это щелочной металл, один из самых химически активных металлов. Он находится в самом начале ряда напряжений. Из-за своей чрезвычайно высокой реакционной способности, особенно по отношению к воде и кислороду воздуха, натрий никогда не встречается в природе в свободном состоянии, а только в виде соединений (например, хлорид натрия $NaCl$).

4) цинк
Цинк (Zn) — металл средней активности, стоящий в ряду напряжений до водорода. Он достаточно активен, чтобы не встречаться в природе в свободном виде. Его добывают из полиметаллических руд, основной минерал — сфалерит ($ZnS$).

Таким образом, из всех перечисленных металлов только медь достаточно инертна, чтобы встречаться в природе в свободном состоянии в заметных количествах.

Ответ: 2) медь

10. Промышленным способом восстановления железа из руд служит

1) электрометаллургия

2) гидрометаллургия

3) пирометаллургия (восстановитель — металл)

4) пирометаллургия (восстановитель — кокс)

Решение

Промышленный способ получения железа основан на его восстановлении из железных руд (содержащих оксиды железа, например, $Fe_2O_3$ или $Fe_3O_4$) при высоких температурах. Проанализируем предложенные варианты, чтобы определить основной промышленный метод.

1) электрометаллургия
Этот метод использует электрический ток для восстановления металлов из их соединений (чаще всего, из расплавов). Он применяется для производства химически активных металлов, таких как алюминий, магний, натрий, или для получения сталей специального назначения в электропечах. Однако для первичного получения железа из руды в массовых масштабах этот способ слишком энергозатратен и, следовательно, экономически невыгоден.

2) гидрометаллургия
Этот метод включает процессы извлечения металлов из руд с помощью водных растворов химических реагентов (выщелачивание) с последующим выделением металла из раствора. Гидрометаллургия применяется для получения меди, золота, цинка, урана, но не является основным промышленным способом производства железа.

3) пирометаллургия (восстановитель — металл)
Этот процесс, известный как металлотермия, заключается в восстановлении металлов из их оксидов более активными металлами (например, алюминотермия или магнийтермия). Металлотермия используется для получения тугоплавких и легирующих металлов (хром, марганец, ванадий, титан), но не для крупнотоннажного производства железа, так как металлы-восстановители значительно дороже самого железа.

4) пирометаллургия (восстановитель — кокс)
Это основной промышленный способ получения железа, реализуемый в доменных печах (доменный процесс). Процесс является пирометаллургическим, так как протекает при очень высоких температурах (до 2000°C). В качестве восстановителя используется кокс — продукт специальной обработки каменного угля, состоящий преимущественно из углерода ($C$). Углерод кокса служит и топливом, и источником восстановителя — оксида углерода(II), $CO$. Именно $CO$ является главным восстановителем железа из оксидов в печи: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$. Этот метод является наиболее экономически эффективным для производства железа в больших объемах.

Следовательно, промышленным способом восстановления железа из руд является пирометаллургия, в которой восстановителем служит кокс.

Ответ: 4