Страница 94 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

9. К окислительно-восстановительным относят реакцию, уравнение которой

1) $2\text{HNO}_3 + \text{CuO} = \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + \text{H}_2\text{O}$

2) $\text{NH}_3 \cdot \text{H}_2\text{O} = \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

3) $2\text{NO} + \text{O}_2 = 2\text{NO}_2$

4) $\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 = \text{NH}_4\text{NO}_3$

Решение

Окислительно-восстановительными (ОВР) называют реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Чтобы определить, какая из реакций является ОВР, нужно проанализировать степени окисления элементов в каждой из них.

1) $2HNO_3 + CuO = Cu(NO_3)_2 + H_2O$

Определим степени окисления всех элементов до и после реакции:
В реагентах: $H^{+1}N^{+5}O_3^{-2}$, $Cu^{+2}O^{-2}$.
В продуктах: $Cu^{+2}(N^{+5}O_3^{-2})_2$, $H_2^{+1}O^{-2}$.
Степени окисления всех элементов ($H, N, O, Cu$) остаются неизменными. Это реакция ионного обмена, а не ОВР.

2) $NH_3 \cdot H_2O = NH_3\uparrow + H_2O$

Это уравнение описывает физический процесс распада гидрата аммиака. Степени окисления элементов не изменяются: в $NH_3$ азот имеет степень окисления $-3$, водород $+1$; в $H_2O$ водород $+1$, кислород $-2$. Данный процесс не является ОВР.

3) $2NO + O_2 = 2NO_2$

Определим степени окисления элементов:
В реагентах: в оксиде азота(II) $N^{+2}O^{-2}$; кислород $O_2$ — простое вещество, степень окисления $0$.
В продуктах: в оксиде азота(IV) $N^{+4}O_2^{-2}$.
Произошло изменение степеней окисления:
Азот повысил степень окисления с $+2$ до $+4$ ($N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4}$), он окислился и является восстановителем.
Кислород понизил степень окисления с $0$ до $-2$ ($O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$), он восстановился и является окислителем.
Следовательно, эта реакция является окислительно-восстановительной.

4) $NH_3 + HNO_3 = NH_4NO_3$

Определим степени окисления элементов:
В реагентах: в аммиаке $N^{-3}H_3^{+1}$; в азотной кислоте $H^{+1}N^{+5}O_3^{-2}$.
В продукте, нитрате аммония ($NH_4NO_3$), который состоит из ионов $NH_4^+$ и $NO_3^-$, азот имеет две разные степени окисления: в ионе аммония $N^{-3}H_4^{+}$, а в нитрат-ионе $N^{+5}O_3^{-}$.
Степени окисления атомов азота ($-3$ и $+5$) не изменились по сравнению с исходными веществами. Это реакция соединения (кислотно-основное взаимодействие), а не ОВР.

Ответ: 3.

10. Формулы высшего оксида и соответствующего ему гидроксида

1) $N_2O_3$, $HNO_2$

2) $N_2O_5$, $HNO_3$

3) $NO_2$, $NH_3$

4) $N_2O_5$, $NaOH$

Решение

Высший оксид — это оксид, в котором химический элемент проявляет свою высшую (максимальную) степень окисления. Соответствующий ему гидроксид — это гидроксильное соединение (кислота или основание), в котором данный элемент имеет ту же степень окисления, что и в высшем оксиде.

Во всех вариантах, кроме гидроксида в пункте 4, рассматриваются соединения азота (N). Азот находится в 15-й группе (VА группе) периодической системы химических элементов, поэтому его высшая положительная степень окисления равна +5.

Формула высшего оксида азота — это $N_2O_5$, так как в этом соединении степень окисления азота равна +5, а кислорода -2. Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю: $2 \cdot (+5) + 5 \cdot (-2) = 0$.

Высшему оксиду азота $N_2O_5$ (который является кислотным оксидом) соответствует азотная кислота $HNO_3$. Проверим степень окисления азота в азотной кислоте: степень окисления водорода +1, кислорода -2. Пусть степень окисления азота равна $x$. Тогда: $+1 + x + 3 \cdot (-2) = 0$, откуда $x = +5$. Таким образом, в оксиде $N_2O_5$ и в кислоте $HNO_3$ азот имеет одинаковую высшую степень окисления +5.

Рассмотрим предложенные варианты ответов:

1) $N_2O_3$, $HNO_2$

В оксиде азота(III) $N_2O_3$ степень окисления азота равна +3. В азотистой кислоте $HNO_2$ степень окисления азота также равна +3. Это соответствующая пара оксида и гидроксида, но оксид не является высшим. Поэтому вариант неверный.

2) $N_2O_5$, $HNO_3$

В оксиде азота(V) $N_2O_5$ степень окисления азота +5 (высшая). В азотной кислоте $HNO_3$ степень окисления азота также +5. Эта пара является формулами высшего оксида и соответствующего ему гидроксида (кислоты). Вариант верный.

3) $NO_2$, $NH_3$

В оксиде азота(IV) $NO_2$ степень окисления азота +4, что не является высшей. Аммиак $NH_3$ не является гидроксидом, это гидридное соединение, в котором степень окисления азота равна -3. Вариант неверный.

4) $N_2O_5$, $NaOH$

$N_2O_5$ — высший оксид азота. $NaOH$ (гидроксид натрия) — это гидроксид, но он соответствует оксиду натрия $Na_2O$, а не оксиду азота. В этой паре разные химические элементы (азот и натрий). Вариант неверный.

Ответ: 2

11. С концентрированной азотной кислотой на холоду взаимодействуют вещества

1) $Hg$

2) $P_2O_5$

3) $Al$

4) $FeO$

5) $Cr$

Концентрированная азотная кислота ($HNO_3$) является сильной кислотой и сильным окислителем. Её взаимодействие с различными веществами имеет свои особенности.

1) Hg

Ртуть (Hg) — это металл, который пассивен к неокисляющим кислотам, но активно реагирует с сильными кислотами-окислителями, какой является концентрированная азотная кислота. Реакция протекает при комнатной температуре (на холоду) с образованием нитрата ртути(II), выделением бурого газа — диоксида азота ($NO_2$) и воды.

Уравнение реакции: $Hg + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow Hg(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$.

Ответ: взаимодействует.

2) P₂O₅

Оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) является кислотным оксидом (ангидридом фосфорной кислоты, $H_3PO_4$). Кислотные оксиды не вступают в реакцию с кислотами. Следовательно, взаимодействия между оксидом фосфора(V) и азотной кислотой не происходит.

Ответ: не взаимодействует.

3) Al

Алюминий (Al) является химически активным металлом, однако при контакте с холодной концентрированной азотной кислотой на его поверхности образуется прочная инертная оксидная пленка ($Al_2O_3$), которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Это явление называется пассивацией. Для реакции с алюминием кислоту необходимо нагреть.

Ответ: не взаимодействует (пассивируется).

4) FeO

Оксид железа(II) ($FeO$) проявляет основные свойства и содержит железо в степени окисления +2. Он реагирует с концентрированной азотной кислотой. Эта реакция является окислительно-восстановительной, так как азотная кислота (сильный окислитель) окисляет железо(II) до железа(III), при этом сама восстанавливается до диоксида азота. Реакция идет на холоду.

Уравнение реакции: $FeO + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + 2H_2O$.

Ответ: взаимодействует.

5) Cr

Хром (Cr), подобно алюминию и железу, пассивируется холодной концентрированной азотной кислотой. На его поверхности формируется защитная оксидная пленка ($Cr_2O_3$), которая делает металл устойчивым к дальнейшему воздействию кислоты при данных условиях. Реакция возможна только при нагревании.

Ответ: не взаимодействует (пассивируется).

12. Установите соответствие между схемой реакции и изменением степени окисления азота.

СХЕМА РЕАКЦИИ

A) $N_2 + Mg \rightarrow Mg_3N_2$

Б) $H_2 + N_2 \rightarrow NH_3$

В) $NO + H_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

ИЗМЕНЕНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ АЗОТА

1) $0 \rightarrow +4$

2) $+2 \rightarrow 0$

3) $+2 \rightarrow +4$

4) $0 \rightarrow -3$

5) $+4 \rightarrow +2$

А) N₂ + Mg → Mg₃N₂

В левой части уравнения азот находится в виде простого вещества $N_2$, поэтому его степень окисления равна $0$. В правой части уравнения азот входит в состав бинарного соединения – нитрида магния ($Mg_3N_2$). Магний является металлом второй группы главной подгруппы и в соединениях проявляет постоянную степень окисления $+2$. Так как молекула $Mg_3N_2$ электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Обозначим степень окисления азота через $x$. Тогда составляем уравнение:
$3 \cdot (+2) + 2 \cdot x = 0$
$6 + 2x = 0$
$2x = -6$
$x = -3$
Следовательно, степень окисления азота изменяется с $0$ до $-3$. Этот вариант соответствует цифре 4.

Ответ: 4

Б) H₂ + N₂ → NH₃

В этой реакции азот в левой части также представлен простым веществом $N_2$, где его степень окисления равна $0$. В правой части он образует аммиак ($NH_3$). В соединениях с неметаллами водород, как правило, имеет степень окисления $+1$. Молекула аммиака электронейтральна. Обозначим степень окисления азота через $y$. Тогда:
$y + 3 \cdot (+1) = 0$
$y = -3$
Таким образом, степень окисления азота изменяется с $0$ до $-3$. Этот вариант также соответствует цифре 4.

Ответ: 4

В) NO + H₂ → N₂ + H₂O

В левой части уравнения азот находится в составе оксида азота(II) ($NO$). Степень окисления кислорода в оксидах (за исключением пероксидов и некоторых других соединений) равна $-2$. Так как молекула $NO$ электронейтральна, степень окисления азота $z$ можно найти из уравнения:
$z + (-2) = 0$
$z = +2$
В правой части уравнения азот образует простое вещество $N_2$, где его степень окисления равна $0$.
Следовательно, степень окисления азота изменяется с $+2$ до $0$. Этот вариант соответствует цифре 2.

Ответ: 2

13. При прокаливании 34 г натриевой селитры получили 3,36 л кислорода (н. у.). Определите массовую долю примесей в селитре.

Дано:

$m(\text{селитры с примесями}) = 34 \text{ г}$

$V(O_2) = 3,36 \text{ л (н.у.)}$

Найти:

$\omega(\text{примесей}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции термического разложения (прокаливания) натриевой селитры ($NaNO_3$). Примеси, содержащиеся в селитре, в реакции не участвуют, а кислород выделяется только в результате разложения чистого нитрата натрия:

$2NaNO_3 \xrightarrow{t} 2NaNO_2 + O_2 \uparrow$

2. Найдем количество вещества (моль) выделившегося кислорода. Поскольку объем дан при нормальных условиях (н.у.), используем молярный объем газа, который при н.у. составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{3,36 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,15 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества чистого нитрата натрия, вступившего в реакцию. Согласно стехиометрическим коэффициентам, соотношение молей нитрата натрия и кислорода составляет 2:1.

$n(NaNO_3) = 2 \cdot n(O_2) = 2 \cdot 0,15 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

4. Вычислим массу чистого нитрата натрия, который разложился. Для этого сначала найдем его молярную массу:

$M(NaNO_3) = M(Na) + M(N) + 3 \cdot M(O) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85 \text{ г/моль}$

Теперь можем найти массу чистого $NaNO_3$ в образце:

$m(\text{чистого } NaNO_3) = n(NaNO_3) \cdot M(NaNO_3) = 0,3 \text{ моль} \cdot 85 \text{ г/моль} = 25,5 \text{ г}$

5. Найдем массу примесей в исходном образце. Общая масса образца складывается из массы чистого вещества и массы примесей.

$m(\text{примесей}) = m(\text{образца}) - m(\text{чистого } NaNO_3) = 34 \text{ г} - 25,5 \text{ г} = 8,5 \text{ г}$

6. Определим массовую долю примесей в исходной селитре. Массовая доля ($\omega$) - это отношение массы компонента к массе всей смеси, выраженное в долях или процентах.

$\omega(\text{примесей}) = \frac{m(\text{примесей})}{m(\text{образца})} \cdot 100\% = \frac{8,5 \text{ г}}{34 \text{ г}} \cdot 100\% = 0,25 \cdot 100\% = 25\%$

Ответ: массовая доля примесей в селитре составляет 25%.

14. Кристаллы голубого цвета прокалили до прекращения выделения газов. Полученный твёрдый остаток нагрели в присутствии водорода и получили металл красного цвета. Установите название и формулу неизвестного вещества. Напишите уравнения соответствующих химических реакций.

Решение

Для решения задачи проанализируем последовательно описанные химические превращения.

1. В последнем действии говорится: «Полученный твёрдый остаток нагрели в присутствии водорода и получили металл красного цвета». Металлом красного цвета в химии является медь ($Cu$). Водород ($H_2$) — это восстановитель, который при нагревании способен восстанавливать металлы из их оксидов. Следовательно, твёрдый остаток, полученный после первого этапа, — это оксид меди(II) ($CuO$), который представляет собой порошок чёрного цвета. Реакция восстановления оксида меди(II) водородом выглядит следующим образом: $CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$.

2. В первом действии указано: «Кристаллы голубого цвета прокалили до прекращения выделения газов». Из этого следует, что исходное вещество при нагревании разложилось с образованием оксида меди(II) ($CuO$) и неких газообразных продуктов. Голубой цвет кристаллов характерен для гидратированных солей меди(II). Наиболее вероятными кандидатами являются кристаллогидраты сульфата меди(II) ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$, медный купорос) или нитрата меди(II) ($Cu(NO_3)_2 \cdot nH_2O$). При сильном нагревании (прокаливании) нитраты многих металлов, включая медь, разлагаются с образованием оксида металла, оксида азота(IV) и кислорода. Это полностью соответствует описанию процесса с выделением газов. Таким образом, можно заключить, что исходное вещество — это нитрат меди(II).

Установите название и формулу неизвестного вещества.

На основе вышеизложенного анализа, неизвестным веществом является нитрат меди(II). Кристаллы его гидрата имеют голубой цвет.

Ответ: Неизвестное вещество — нитрат меди(II), формула $Cu(NO_3)_2$.

Напишите уравнения соответствующих химических реакций.

1. Реакция термического разложения (прокаливания) нитрата меди(II):

$2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$

2. Реакция восстановления оксида меди(II) водородом с образованием металлической меди:

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

Ответ: $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$;
$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$.