Страница 179 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

9. В свободном виде в природе не встречается металл

1) $Au$

2) $Cr$

3) $Cu$

4) $Hg$

Решение

Чтобы определить, какой из перечисленных металлов не встречается в природе в свободном (самородном) виде, необходимо оценить их химическую активность. Металлы, обладающие высокой химической активностью, легко вступают в реакции с другими элементами (например, с кислородом, серой) и образуют соединения (оксиды, сульфиды и т.д.). Малоактивные (благородные) металлы, наоборот, устойчивы к воздействию окружающей среды и могут сохраняться в земной коре в чистом виде.

Проанализируем каждый из предложенных металлов:

1) Au (Золото)
Золото является благородным металлом с очень низкой химической активностью. Оно не окисляется кислородом воздуха и не растворяется в большинстве кислот. Именно поэтому золото широко распространено в природе в самородном состоянии, например, в виде золотых самородков и россыпей.

2) Cr (Хром)
Хром — это химически активный металл. Он легко взаимодействует с кислородом, образуя на своей поверхности прочную защитную оксидную пленку. Вследствие своей высокой реакционной способности хром в природе встречается исключительно в виде соединений. Основным промышленным минералом для получения хрома является хромит (хромистый железняк) с формулой $FeCr_2O_4$. Находки самородного хрома крайне редки и не имеют промышленного значения.

3) Cu (Медь)
Медь — металл средней активности. Хотя большая часть меди находится в природе в виде соединений (например, халькопирит $CuFeS_2$, халькозин $Cu_2S$, малахит $(CuOH)_2CO_3$), существуют и значительные месторождения самородной меди.

4) Hg (Ртуть)
Ртуть, как и золото, является малоактивным металлом. Она может встречаться в природе в самородном виде (жидкие капли ртути). Однако её основной рудой является киноварь ($HgS$).

Таким образом, из всех перечисленных металлов хром является наиболее активным и практически не встречается в природе в свободном состоянии.

Ответ: 2

10. Укажите промышленный способ получения алюминия.

1) восстановление водородом из оксида

2) восстановление углеродом из оксида

3) электролиз расплава оксида

4) гидрометаллургия

Для определения промышленного способа получения алюминия необходимо рассмотреть химические свойства алюминия и его соединений, а также проанализировать предложенные варианты.

1) восстановление водородом из оксида

Алюминий ($Al$) — это химически активный металл. В электрохимическом ряду напряжений металлов он стоит значительно левее водорода. Это означает, что водород не является достаточно сильным восстановителем, чтобы вытеснить алюминий из его оксида ($Al_2O_3$). Метод восстановления водородом (водородотермия) используется для получения менее активных металлов, таких как вольфрам, молибден или медь. Поэтому данный способ для получения алюминия неприменим.

2) восстановление углеродом из оксида

Восстановление оксидов металлов углеродом (карботермия) — распространённый метод в металлургии, например, при производстве чугуна. Однако для алюминия этот процесс сопряжён с большими трудностями. Реакция восстановления оксида алюминия углеродом ($2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$) требует чрезвычайно высокой температуры (более 2000 °C). При такой температуре алюминий не только плавится, но и начинает испаряться, а также активно реагирует с углеродом, образуя карбид алюминия ($Al_4C_3$). Это делает процесс технологически сложным и экономически неэффективным. Поэтому в промышленности этот метод не используется.

3) электролиз расплава оксида

Это основной и единственный промышленный способ получения первичного алюминия. Процесс носит название Холла-Эру. Так как температура плавления чистого оксида алюминия ($Al_2O_3$) очень высока (около 2072 °C), для снижения энергозатрат его растворяют в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$), что позволяет снизить температуру процесса до 950–1000 °C. Затем через этот электролит пропускают постоянный электрический ток. На катоде ионы алюминия восстанавливаются до жидкого металлического алюминия, который скапливается на дне электролизера. На угольном аноде окисляются ионы кислорода, и выделяющийся кислород немедленно реагирует с материалом анода, образуя оксиды углерода ($CO$ и $CO_2$).

Процессы на электродах:

• Катод (-): $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
• Анод (+): $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$ ; $C + O_2 \rightarrow CO_2$

Суммарное уравнение реакции: $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$.
Этот метод, несмотря на свою энергоёмкость, является наиболее эффективным для производства алюминия в промышленных масштабах.

4) гидрометаллургия

Гидрометаллургические методы, основанные на использовании водных растворов, играют важную роль в производстве алюминия, но не на стадии получения самого металла. Процесс Байера — это гидрометаллургический процесс, который используется для очистки бокситовой руды и получения из нее чистого оксида алюминия (глинозёма). То есть, гидрометаллургия является подготовительным этапом, поставляющим сырье ($Al_2O_3$) для электролиза. Получение же металлического алюминия из этого оксида осуществляется исключительно электролизом расплава. Таким образом, этот вариант описывает лишь часть производственного цикла.

Исходя из анализа, единственным верным вариантом, описывающим промышленный способ получения металлического алюминия, является электролиз расплава его оксида в криолите.

Ответ: 3

11. Кальций и железо

1) имеют одинаковое число электронных слоёв в атомах

2) проявляют постоянную степень окисления в соединениях

3) имеют одинаковое число электронов на внешнем электронном слое

4) образуют только основные оксиды и гидроксиды

5) относятся к металлам А-групп

Решение

Для того чтобы определить верное утверждение, необходимо сравнить свойства кальция ($Ca$) и железа ($Fe$), основываясь на их положении в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и строении их атомов.

Кальций ($Ca$) — химический элемент с порядковым номером 20. Он расположен в 4-м периоде, 2-й группе, главной подгруппе (IIA). Является щелочноземельным металлом. Электронная конфигурация его атома: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$.

Железо ($Fe$) — химический элемент с порядковым номером 26. Он расположен в 4-м периоде, 8-й группе, побочной подгруппе (VIIIB). Является переходным металлом. Электронная конфигурация его атома: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2$.

Проанализируем каждое утверждение:

1) имеют одинаковое число электронных слоёв в атомах

Число электронных слоёв (энергетических уровней) в атоме химического элемента равно номеру периода, в котором он находится. И кальций, и железо являются элементами 4-го периода. Следовательно, их атомы содержат одинаковое число электронных слоёв — четыре. Это утверждение верно.

2) проявляют постоянную степень окисления в соединениях

Кальций является металлом главной подгруппы (IIA) и в своих соединениях проявляет постоянную степень окисления $+2$. Железо, как переходный металл, характеризуется переменными степенями окисления, наиболее распространенными из которых являются $+2$ и $+3$. Например, существуют оксид железа(II) $FeO$ и оксид железа(III) $Fe_2O_3$. Следовательно, это утверждение неверно.

3) имеют одинаковое число электронов на внешнем электронном слое

Внешним электронным слоем является слой с самым большим главным квантовым числом. Для атома кальция ($...4s^2$) внешний слой — четвертый, на нем находится 2 электрона. Для атома железа ($...3d^6 4s^2$) внешний слой также четвертый, и на нем тоже находится 2 электрона. Несмотря на то что это утверждение является формально правильным, химические свойства этих элементов сильно различаются из-за того, что у железа заполняется предвнешний $3d$-подуровень, электроны которого также участвуют в образовании химических связей. В контексте выбора единственного верного ответа, утверждение №1 является более фундаментальной общей характеристикой.

4) образуют только основные оксиды и гидроксиды

Кальций образует оксид $CaO$ и гидроксид $Ca(OH)_2$, которые обладают ярко выраженными основными свойствами. Железо в степени окисления $+2$ образует основный оксид $FeO$ и гидроксид $Fe(OH)_2$. Однако в степени окисления $+3$ его оксид $Fe_2O_3$ и гидроксид $Fe(OH)_3$ проявляют амфотерные свойства, то есть могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Таким образом, железо образует не только основные оксиды и гидроксиды. Утверждение неверно.

5) относятся к металлам A-групп

Элементы A-групп (главных подгрупп) — это s- и p-элементы. Кальций находится во IIA группе, следовательно, он относится к металлам A-группы. Элементы B-групп (побочных подгрупп) — это d- и f-элементы. Железо находится в VIIIB группе, оно является d-элементом и относится к металлам B-группы. Утверждение неверно.

Таким образом, единственное абсолютно верное и наиболее существенное общее свойство для кальция и железа из предложенных — это одинаковое число электронных слоев в их атомах.

Ответ: 1

12. Установите соответствие между реагентами и изменением степени окисления железа в результате реакции между ними.

РЕАГЕНТЫ

А) $\text{FeCl}_2 + \text{Mg} \to$

Б) $\text{Fe} + \text{Cl}_2 \to$

В) $\text{FeCl}_2 + \text{Cl}_2 \to$

ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

1) $0 \to +2$

2) $0 \to +3$

3) $+2 \to 0$

4) $+3 \to +2$

5) $+2 \to +3$

А) $FeCl_2 + Mg$

В этой реакции нужно установить, как меняется степень окисления железа.
1. Исходная степень окисления железа. В хлориде железа(II) ($FeCl_2$) степень окисления хлора равна -1. Поскольку в формуле два атома хлора, их суммарный отрицательный заряд составляет $2 \times (-1) = -2$. Чтобы молекула была электронейтральной, железо ($Fe$) должно иметь степень окисления +2. Итак, $Fe^{+2}$.
2. Продукты реакции. Магний ($Mg$) стоит в ряду активности металлов левее железа ($Fe$), то есть является более активным металлом. Следовательно, магний вытесняет железо из его соли. Уравнение реакции: $FeCl_2 + Mg \rightarrow MgCl_2 + Fe$
3. Конечная степень окисления железа. В результате реакции образуется чистое железо ($Fe$), которое является простым веществом. Степень окисления любого простого вещества равна 0. Итак, $Fe^{0}$.
4. Изменение степени окисления. Степень окисления железа изменилась с +2 до 0.
Этот переход соответствует варианту 3.

Ответ: 3

Б) $Fe + Cl_2 \rightarrow$

Рассмотрим изменение степени окисления железа в этой реакции.
1. Исходная степень окисления железа. Железо ($Fe$) в левой части уравнения представлено как простое вещество, поэтому его степень окисления равна 0. Итак, $Fe^{0}$.
2. Продукты реакции. Хлор ($Cl_2$) — это сильный окислитель. При реакции с сильными окислителями, такими как галогены, железо окисляется до своей наиболее устойчивой высшей степени окисления, равной +3. Реакция протекает по следующей схеме: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$
3. Конечная степень окисления железа. В продукте реакции, хлориде железа(III) ($FeCl_3$), степень окисления хлора -1. Три атома хлора создают заряд -3, следовательно, железо ($Fe$) имеет степень окисления +3. Итак, $Fe^{+3}$.
4. Изменение степени окисления. Степень окисления железа изменилась с 0 до +3.
Этот переход соответствует варианту 2.

Ответ: 2

В) $FeCl_2 + Cl_2$

Определим изменение степени окисления железа для этого процесса.
1. Исходная степень окисления железа. В исходном веществе, хлориде железа(II) ($FeCl_2$), степень окисления железа равна +2, как было установлено в пункте А. Итак, $Fe^{+2}$.
2. Продукты реакции. Хлор ($Cl_2$), будучи сильным окислителем, вступает в реакцию с хлоридом железа(II), доокисляя железо до степени окисления +3. $2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$
3. Конечная степень окисления железа. В конечном продукте, хлориде железа(III) ($FeCl_3$), степень окисления железа равна +3, как было показано в пункте Б. Итак, $Fe^{+3}$.
4. Изменение степени окисления. Степень окисления железа изменилась с +2 до +3.
Этот переход соответствует варианту 5.

Ответ: 5

13. Изделие из марганца находится в воде и контактирует с медным изделием. Сохранятся ли оба эти изделия в неизменном виде? Объясните свой ответ.

Решение

Нет, оба изделия не сохранятся в неизменном виде. Когда два разных металла, в данном случае марганец (Mn) и медь (Cu), находятся в электрическом контакте в среде электролита (вода), они образуют гальваническую пару. В этой паре будет протекать процесс электрохимической коррозии.

Чтобы определить, какой из металлов будет корродировать, необходимо сравнить их стандартные электродные потенциалы ($E^0$). Металл с более отрицательным (или менее положительным) значением потенциала является химически более активным и будет выполнять роль анода, то есть окисляться (разрушаться). Металл с более положительным потенциалом будет катодом, на котором происходит процесс восстановления, и он будет защищен от коррозии.

Посмотрим на значения стандартных электродных потенциалов для марганца и меди:

Для марганца: $E^0(Mn^{2+}/Mn) = -1.18$ В

Для меди: $E^0(Cu^{2+}/Cu) = +0.34$ В

Поскольку потенциал марганца ($-1.18$ В) значительно ниже, чем потенциал меди ($+0.34$ В), марганец будет анодом, а медь — катодом.

Следовательно, на поверхности марганцевого изделия будет протекать процесс окисления (анодный процесс):

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

Марганец будет растворяться, переходя в воду в виде ионов $Mn^{2+}$, то есть изделие из марганца будет разрушаться.

На поверхности медного изделия (катоде) будут протекать процессы восстановления. В нейтральной водной среде, содержащей растворенный кислород, это будет восстановление кислорода:

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

Таким образом, медное изделие будет катодно защищено и не будет корродировать, в то время как марганцевое изделие подвергнется ускоренной коррозии из-за контакта с медью.

Ответ:

Нет, оба изделия не сохранятся в неизменном виде. Изделие из марганца будет активно корродировать (разрушаться), в то время как медное изделие останется без изменений.

14. Определите массу меди, которая образуется при восстановлении водородом 250 г оксида меди(II), содержащего 10 % примесей.

Дано:

Масса оксида меди(II) с примесями, $m(CuO_{смесь}) = 250 \text{ г}$
Массовая доля примесей, $\omega(\text{примесей}) = 10 \% \text{ или } 0,1$

$m(CuO_{смесь}) = 0,25 \text{ кг}$

Найти:

Массу образовавшейся меди, $m(Cu) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции восстановления оксида меди(II) водородом. В этой реакции медь восстанавливается из оксида, а водород окисляется до воды:

$CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$

2. В реакцию вступает только чистый оксид меди(II). Определим его массу в исходной смеси. Сначала найдем массовую долю чистого $CuO$:

$\omega(CuO) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 10\% = 90\% \text{ или } 0,9$

Теперь вычислим массу чистого $CuO$, который вступит в реакцию:

$m(CuO) = m(CuO_{смесь}) \times \omega(CuO) = 250 \text{ г} \times 0,9 = 225 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярные массы оксида меди(II) и меди. Для этого воспользуемся значениями атомных масс из периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева (Ar(Cu) ≈ 63,5, Ar(O) ≈ 16):

$M(CuO) = Ar(Cu) + Ar(O) = 63,5 \text{ г/моль} + 16 \text{ г/моль} = 79,5 \text{ г/моль}$

$M(Cu) = Ar(Cu) = 63,5 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число моль) чистого оксида меди(II), вступившего в реакцию:

$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{225 \text{ г}}{79,5 \text{ г/моль}} \approx 2,83 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $CuO$ образуется 1 моль $Cu$. Следовательно, стехиометрическое соотношение между оксидом меди(II) и медью равно 1:1.

$n(Cu) = n(CuO) \approx 2,83 \text{ моль}$

6. Зная количество вещества меди, вычислим ее массу:

$m(Cu) = n(Cu) \times M(Cu) = 2,83018... \text{ моль} \times 63,5 \text{ г/моль} \approx 179,7 \text{ г}$

Для большей точности можно решить задачу, используя пропорцию, составленную на основе уравнения реакции, без промежуточных округлений:

Из $M(CuO) = 79,5 \text{ г}$ оксида меди(II) образуется $M(Cu) = 63,5 \text{ г}$ меди.

Из $m(CuO) = 225 \text{ г}$ оксида меди(II) образуется $x$ г меди.

$\frac{225 \text{ г}}{79,5 \text{ г}} = \frac{x \text{ г}}{63,5 \text{ г}}$

$x = \frac{225 \text{ г} \times 63,5 \text{ г}}{79,5 \text{ г}} \approx 179,7 \text{ г}$

Ответ: масса меди, которая образуется, составляет 179,7 г.