Страница 177 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. Медь из её оксида способны восстанавливать

1) оксид углерода$ \text{(IV)} $

2) аммиак

3) сера

4) соляная кислота

5) водород

Для решения этой задачи необходимо определить, какие из предложенных веществ могут выступать в качестве восстановителя по отношению к оксиду меди. Оксиды меди (чаще всего рассматривается оксид меди(II), $CuO$) могут быть восстановлены до металлической меди веществами, которые способны отнимать у них кислород, при этом сами окисляясь. Рассмотрим каждый вариант.

1) оксид углерода(IV)

Оксид углерода(IV), или углекислый газ ($CO_2$), является соединением, в котором углерод находится в своей высшей степени окисления +4. Это означает, что атом углерода уже отдал все возможные валентные электроны и не может быть окислен дальше. Следовательно, оксид углерода(IV) не может проявлять восстановительные свойства. Наоборот, он сам является продуктом окисления таких восстановителей, как уголь ($C$) или угарный газ ($CO$), которые как раз используются для восстановления меди из ее оксида. Реакция между оксидом меди(II) и диоксидом углерода не протекает.

Ответ: Не способен.

2) аммиак

В молекуле аммиака ($NH_3$) азот имеет свою низшую степень окисления, равную -3. Это позволяет аммиаку выступать в роли сильного восстановителя. При нагревании аммиак способен восстанавливать многие оксиды металлов, включая оксид меди(II), до свободного металла. В ходе реакции азот окисляется, как правило, до молекулярного азота ($N_2$) со степенью окисления 0.

Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$3CuO + 2NH_3 \xrightarrow{t} 3Cu + N_2 \uparrow + 3H_2O$

В этой окислительно-восстановительной реакции медь восстанавливается из степени окисления +2 до 0, а азот окисляется из -3 до 0.

Ответ: Способен.

3) сера

Сера ($S$) как простое вещество имеет степень окисления 0. Она может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. В реакциях с более электроотрицательными элементами, такими как кислород, сера выступает в роли восстановителя, окисляясь до степеней окисления +4 (в $SO_2$) или +6 (в $SO_3$). Сера способна восстанавливать медь из ее оксида при нагревании.

Возможное уравнение реакции:

$2CuO + S \xrightarrow{t} 2Cu + SO_2 \uparrow$

В данной реакции медь восстанавливается ($Cu^{+2} \rightarrow Cu^0$), а сера окисляется ($S^0 \rightarrow S^{+4}$). Следовательно, сера может восстанавливать медь из оксида.

Ответ: Способна.

4) соляная кислота

Соляная кислота ($HCl$) является типичной кислотой-неокислителем. Оксид меди(II) ($CuO$) — это основный оксид. При их взаимодействии происходит реакция ионного обмена (нейтрализации), а не окислительно-восстановительная реакция. В результате образуются соль (хлорид меди(II)) и вода. Степень окисления меди при этом не изменяется.

Уравнение реакции:

$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

Медь как до, так и после реакции имеет степень окисления +2. Восстановления до металлической меди не происходит.

Ответ: Не способна.

5) водород

Водород ($H_2$) — один из самых известных и широко применяемых восстановителей в химии и металлургии. В виде простого вещества водород имеет степень окисления 0 и легко окисляется до +1. При пропускании водорода над нагретым оксидом меди(II) происходит его восстановление до металлической меди (красно-розового цвета), а водород окисляется до воды. Этот процесс называется водородотермией.

Уравнение реакции:

$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$

Медь восстанавливается со степени окисления +2 до 0, а водород окисляется с 0 до +1.

Ответ: Способен.

Таким образом, медь из её оксида способны восстанавливать аммиак, сера и водород. Правильные ответы: 2, 3, 5.

12. Установите соответствие между реагентами и сокращённым ионным уравнением реакции, протекающей между ними.

РЕАГЕНТЫ

А) $FeCl_3$ и Al

Б) $Al(OH)_3$ и NaOH

В) $AlBr_3$ и KOH

СОКРАЩЁННОЕ ИОННОЕ УРАВНЕНИЕ

1) $Al(OH)_3 + OH^- = [Al(OH)_4]^-$

2) $Al + Fe^{3+} = Al^{3+} + Fe$

3) $Al^{3+} + 3OH^- = Al(OH)_3$

4) $2Al + 3Fe^{2+} = 2Al^{3+} + 3Fe$

5) $2Al + 6H^+ = 2Al^{3+} + 3H_2$

А) $FeCl_3$ и $Al$

Взаимодействие хлорида железа(III) с алюминием является реакцией замещения, так как алюминий — более активный металл, чем железо, и вытесняет его из раствора соли.
Молекулярное уравнение реакции:
$Al + FeCl_3 \rightarrow AlCl_3 + Fe$
Запишем полное ионное уравнение, учитывая, что $FeCl_3$ и $AlCl_3$ — растворимые соли, а $Al$ и $Fe$ — простые вещества:
$Al^0 + Fe^{3+} + 3Cl^- \rightarrow Al^{3+} + 3Cl^- + Fe^0$
Сократим ионы-наблюдатели ($Cl^-$), которые присутствуют в левой и правой частях уравнения в неизменном виде:
$Al + Fe^{3+} \rightarrow Al^{3+} + Fe$
Данное сокращённое ионное уравнение соответствует варианту 2.
Ответ: 2

Б) $Al(OH)_3$ и $NaOH$

Гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) является амфотерным гидроксидом, поэтому он реагирует с сильными щелочами, такими как гидроксид натрия ($NaOH$), с образованием комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия.
Молекулярное уравнение реакции:
$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$
Запишем полное ионное уравнение, учитывая, что $Al(OH)_3$ — нерастворимое вещество, а $NaOH$ и $Na[Al(OH)_4]$ — сильные электролиты (растворимы):
$Al(OH)_3 + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + [Al(OH)_4]^-$
Сократим ион-наблюдатель ($Na^+$):
$Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$
Данное сокращённое ионное уравнение соответствует варианту 1.
Ответ: 1

В) $AlBr_3$ и $KOH$

Взаимодействие бромида алюминия ($AlBr_3$) с гидроксидом калия ($KOH$) является реакцией ионного обмена. Оба исходных вещества растворимы. В результате реакции образуется нерастворимый в воде гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$), который выпадает в осадок.
Молекулярное уравнение реакции:
$AlBr_3 + 3KOH \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3KBr$
Запишем полное ионное уравнение:
$Al^{3+} + 3Br^- + 3K^+ + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3K^+ + 3Br^-$
Сократим ионы-наблюдатели ($K^+$ и $Br^-$):
$Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3$
Данное сокращённое ионное уравнение соответствует варианту 3.
Ответ: 3

13. На поверхности кислой почвы садового участка находятся же-лезные трубы со вставленными латунными кранами (латунь — сплав меди с цинком). Какие изменения ожидают трубу или кран? В каком месте будут наиболее выражены эти изменения и почему?

В описанной ситуации железная труба и латунный кран, находясь в контакте на поверхности кислой влажной почвы, образуют гальваническую пару. Кислая почва, пропитанная влагой, выступает в роли электролита.

Железо, из которого сделана труба, и медь с цинком, из которых состоит латунный кран, имеют разные значения стандартных электродных потенциалов и, следовательно, разную химическую активность. В электрохимическом ряду напряжений металлы располагаются в следующей последовательности по убыванию активности (увеличению потенциала): цинк ($Zn$), железо ($Fe$), медь ($Cu$).

Когда два разных металла находятся в контакте в среде электролита, возникает гальванический элемент. Металл с более отрицательным электродным потенциалом (более активный) становится анодом и подвергается окислению, то есть коррозии. Металл с более положительным потенциалом (менее активный) становится катодом, на котором протекают процессы восстановления.

В паре "железо – латунь" (сплав на основе меди) железо является более активным металлом, чем медь, которая составляет основу латуни. Поэтому железная труба будет выполнять роль анода, а латунный кран — катода. На аноде (железной трубе) будет происходить процесс разрушения металла:

$Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$

Образующиеся ионы железа $Fe^{2+}$ в дальнейшем будут окисляться и взаимодействовать с водой и кислородом, образуя ржавчину.

На катоде (поверхности латунного крана) будут идти процессы восстановления компонентов электролита. В кислой среде это, прежде всего, восстановление ионов водорода:

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Или восстановление растворенного в воде кислорода:

$O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$

Таким образом, основным изменением будет ускоренная электрохимическая коррозия железной трубы. Латунный кран, выступая в роли катода, будет защищен от коррозии за счет разрушения железа (это явление называется катодной защитой).

Наиболее интенсивно процесс коррозии будет протекать в месте контакта железной трубы и латунного крана. Именно в этой зоне замыкается гальваническая цепь, обеспечивая беспрепятственное движение электронов от анода (железа) к катоду (латуни) и движение ионов в электролите (влажной почве). Чем короче путь для носителей заряда, тем выше скорость коррозии, поэтому разрушение трубы будет максимальным именно у основания крана.

Ответ: Изменениям подвергнется железная труба — она будет интенсивно корродировать (ржаветь). Латунный кран при этом будет защищен от разрушения. Наиболее выражены эти изменения будут на трубе в месте её соединения с латунным краном. Причина заключается в возникновении гальванической пары "железо-латунь" во влажной кислой почве (электролите), где более активное железо выступает в роли анода и разрушается, а менее активная медь (основа латуни) — в роли катода.

14. Определите массу железа, которое можно получить алюминотермией из 1 кг оксида железа(III), содержащего 9 % примесей.

Дано:

Масса оксида железа(III) с примесями, $m_{смеси} = 1$ кг
Массовая доля примесей, $\omega_{примесей} = 9\%$

Найти:

Массу железа, $m(Fe)$ — ?

Решение:

1. Сначала запишем уравнение реакции алюминотермии, в которой алюминий восстанавливает железо из его оксида(III):

$Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$

2. В реакцию вступает только чистый оксид железа(III). Определим его массовую долю и массу в данном образце.

Массовая доля чистого $Fe_2O_3$ составляет:

$\omega(Fe_2O_3) = 100\% - \omega_{примесей} = 100\% - 9\% = 91\%$ или $0.91$

Теперь найдем массу чистого оксида железа(III):

$m(Fe_2O_3) = m_{смеси} \cdot \omega(Fe_2O_3) = 1 \text{ кг} \cdot 0.91 = 0.91 \text{ кг}$

Для дальнейших расчетов удобнее использовать граммы: $0.91 \text{ кг} = 910 \text{ г}$.

3. Рассчитаем молярные массы оксида железа(III) и чистого железа. Для этого используем относительные атомные массы элементов из периодической таблицы: $Ar(Fe) \approx 56$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160 \text{ г/моль}$

$M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число моль) оксида железа(III), которое вступит в реакцию:

$n(Fe_2O_3) = \frac{m(Fe_2O_3)}{M(Fe_2O_3)} = \frac{910 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 5.6875 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $Fe_2O_3$ образуется 2 моль $Fe$. Таким образом, соотношение количеств веществ $n(Fe_2O_3) : n(Fe) = 1 : 2$.

Найдем количество вещества железа, которое можно получить:

$n(Fe) = 2 \cdot n(Fe_2O_3) = 2 \cdot 5.6875 \text{ моль} = 11.375 \text{ моль}$

6. Теперь, зная количество вещества железа, можем рассчитать его массу:

$m(Fe) = n(Fe) \cdot M(Fe) = 11.375 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = 637 \text{ г}$

Массу можно также выразить в килограммах: $637 \text{ г} = 0.637 \text{ кг}$.

Ответ: масса железа, которое можно получить, составляет 637 г (или 0.637 кг).

1. Электронное строение атома металла:

1) $2e, 8e, 4e$

2) $2e, 8e, 3e$

3) $2e, 8e, 5e$

4) $2e, 8e, 6e$

Решение

Чтобы определить, какое электронное строение соответствует атому металла, необходимо проанализировать количество электронов на внешнем энергетическом уровне (валентных электронов). Металлы — это элементы, которые, как правило, имеют небольшое количество валентных электронов (обычно от 1 до 3) и склонны их отдавать, проявляя восстановительные свойства. Неметаллы, наоборот, обычно имеют от 4 до 7 валентных электронов и склонны их принимать.

Рассмотрим предложенные варианты электронного строения, где числа последовательно обозначают количество электронов ($e$) на первом, втором и третьем энергетических уровнях. Последнее число в каждой конфигурации — это количество валентных электронов.

1) 2e, 8e, 4e — на внешнем уровне 4 электрона. Суммарное число электронов равно $2+8+4=14$. Этому строению соответствует атом кремния ($_{14}\text{Si}$), который является металлоидом (полуметаллом) и проявляет двойственные свойства.

2) 2e, 8e, 3e — на внешнем уровне 3 электрона. Суммарное число электронов равно $2+8+3=13$. Этому строению соответствует атом алюминия ($_{13}\text{Al}$), который является типичным металлом.

3) 2e, 8e, 5e — на внешнем уровне 5 электронов. Суммарное число электронов равно $2+8+5=15$. Этому строению соответствует атом фосфора ($_{15}\text{P}$), который является неметаллом.

4) 2e, 8e, 6e — на внешнем уровне 6 электронов. Суммарное число электронов равно $2+8+6=16$. Этому строению соответствует атом серы ($_{16}\text{S}$), который является неметаллом.

Таким образом, из всех предложенных вариантов электронное строение атома, однозначно характеризующее его как металл, — это конфигурация с 3 валентными электронами.

Ответ: 2) 2e, 8e, 3e

2. Степень окисления $ +1 $ металл проявляет в каждом из двух со- единений, формулы которых

1) $ \text{LiBr} $ и $ \text{CuOH} $

2) $ \text{K}_2\text{O} $ и $ \text{CaS} $

3) $ \text{AlN} $ и $ \text{Na}_2\text{C}_2 $

4) $ \text{CsCl} $ и $ \text{ZnO} $

Для решения данной задачи определим степень окисления металла в каждом из соединений, представленных в вариантах ответа. Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что все связи в соединении являются ионными.

1) LiBr и CuOH

В бромиде лития (LiBr) литий (Li) является щелочным металлом (элемент IА группы), поэтому его степень окисления в соединениях постоянна и равна +1. Степень окисления брома (Br) в бромидах равна -1. Молекула электронейтральна: $(+1) + (-1) = 0$.

В гидроксиде меди(I) (CuOH) гидроксильная группа (OH)⁻ имеет заряд -1 (кислород -2, водород +1). Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления меди (Cu) должна быть +1. Проверка: $x_{Cu} + (-2) + (+1) = 0$, отсюда $x_{Cu} = +1$.

В обоих соединениях металлы (Li и Cu) имеют степень окисления +1.

2) K₂O и CaS

В оксиде калия (K₂O) калий (K) — щелочной металл, его степень окисления равна +1.

В сульфиде кальция (CaS) кальций (Ca) — щелочноземельный металл (элемент IIА группы), его степень окисления в соединениях постоянна и равна +2.

В данной паре не в каждом соединении металл имеет степень окисления +1.

3) AlN и Na₂C₂

В нитриде алюминия (AlN) алюминий (Al) — металл IIIА группы, его постоянная степень окисления в соединениях равна +3.

В ацетилениде натрия (Na₂C₂) натрий (Na) — щелочной металл, его степень окисления равна +1.

В данной паре не в каждом соединении металл имеет степень окисления +1.

4) CsCl и ZnO

В хлориде цезия (CsCl) цезий (Cs) — щелочной металл, его степень окисления равна +1.

В оксиде цинка (ZnO) цинк (Zn) — переходный металл, который в подавляющем большинстве соединений проявляет постоянную степень окисления +2.

В данной паре не в каждом соединении металл имеет степень окисления +1.

Таким образом, единственная пара, в которой оба металла проявляют степень окисления +1, указана в первом варианте.

Ответ: 1