Страница 98 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

2. Атомы углерода и кремния не различаются

1) радиусом атома

2) числом электронов на внешнем слое

3) электроотрицательностью

4) числом электронных слоёв

Решение

Для ответа на вопрос необходимо сравнить свойства атомов углерода (C) и кремния (Si) на основе их положения в Периодической системе элементов.

Углерод (C) — элемент 2-го периода, 14-й (IVA) группы. Порядковый номер 6. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^2$.
Кремний (Si) — элемент 3-го периода, 14-й (IVA) группы. Порядковый номер 14. Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$.

Проанализируем каждый из предложенных вариантов:

1) радиусом атома
Радиус атомов в одной группе увеличивается сверху вниз, так как растет число электронных слоев. Углерод находится во втором периоде, а кремний — в третьем. Следовательно, атомный радиус кремния больше атомного радиуса углерода. Они различаются по этому признаку.

2) числом электронов на внешнем слое
Углерод и кремний находятся в одной и той же, 14-й (IVA), группе. Для элементов главных подгрупп номер группы указывает на количество валентных электронов (электронов на внешнем слое). У обоих элементов на внешнем электронном слое находится 4 электрона. Это подтверждается их электронными конфигурациями: у углерода на втором слое ($2s^2 2p^2$) 4 электрона, и у кремния на третьем слое ($3s^2 3p^2$) 4 электрона. По этому признаку они не различаются.

3) электроотрицательностью
Электроотрицательность в группе уменьшается сверху вниз, так как увеличивается расстояние от ядра до валентных электронов. Так как углерод расположен выше кремния, его электроотрицательность выше. Они различаются по этому признаку.

4) числом электронных слоёв
Число электронных слоёв в атоме равно номеру периода. Углерод находится во 2-м периоде и имеет 2 электронных слоя, а кремний — в 3-м периоде и имеет 3 электронных слоя. Они различаются по этому признаку.

Из анализа следует, что атомы углерода и кремния совпадают только по числу электронов на внешнем слое.

Ответ: 2

3. Какая формула соответствует соединению, в котором углерод проявляет высшую степень окисления?

1) $CH_4$

2) $K_2CO_3$

3) $SiC$

4) $CO$

Для того чтобы определить, в каком из соединений углерод проявляет высшую степень окисления, необходимо сначала установить эту высшую степень окисления для углерода, а затем рассчитать его степень окисления в каждом из предложенных соединений.

Углерод (C) расположен в 14-й группе (IVА) периодической таблицы. Высшая положительная степень окисления элемента, как правило, равна номеру группы, в которой он находится. Таким образом, высшая степень окисления для углерода составляет $+4$.

Теперь проанализируем каждое соединение:

В соединении метан ($CH_4$) водород, как менее электроотрицательный элемент по сравнению с большинством неметаллов, проявляет степень окисления $+1$. Молекула электронейтральна, значит, сумма всех степеней окисления равна нулю. Обозначим степень окисления углерода через $x$.

$x + 4 \cdot (+1) = 0$
$x + 4 = 0$
$x = -4$

Степень окисления углерода в метане составляет $-4$.

В карбонате калия ($K_2CO_3$) калий (K) является щелочным металлом и всегда имеет степень окисления $+1$. Кислород (O) в большинстве соединений имеет степень окисления $-2$. Обозначим степень окисления углерода через $x$.

$2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$
$2 + x - 6 = 0$
$x - 4 = 0$
$x = +4$

Степень окисления углерода в карбонате калия составляет $+4$.

В карбиде кремния ($SiC$) углерод более электроотрицателен, чем кремний (электроотрицательность C ≈ 2.55, Si ≈ 1.90). Следовательно, углерод будет иметь отрицательную степень окисления. Кремний, как и углерод, находится в IVА группе, и в данном соединении он проявляет степень окисления $+4$. Обозначим степень окисления углерода через $x$.

$+4 + x = 0$
$x = -4$

Степень окисления углерода в карбиде кремния составляет $-4$.

В оксиде углерода(II) или угарном газе ($CO$) кислород, как более электроотрицательный элемент, имеет степень окисления $-2$. Обозначим степень окисления углерода через $x$.

$x + (-2) = 0$
$x = +2$

Степень окисления углерода в оксиде углерода(II) составляет $+2$.

Сравнивая полученные результаты, мы видим, что в соединениях степени окисления углерода равны: $-4$ (в $CH_4$), $+4$ (в $K_2CO_3$), $-4$ (в $SiC$) и $+2$ (в $CO$). Высшая степень окисления $+4$ наблюдается у углерода в карбонате калия.

Ответ: 2

4. Верны ли следующие суждения об аллотропных модификациях углерода?

А. Графит проводит тепло и электрический ток.

Б. При полном сжигании алмаза образуется углекислый газ.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба суждения верны

4) оба суждения неверны

А. Графит проводит тепло и электрический ток. Данное утверждение является верным. Графит — это аллотропная модификация углерода со слоистой структурой. В его кристаллической решетке каждый атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с соседними атомами в одной плоскости. Четвертый валентный электрон каждого атома не участвует в образовании этих связей и является делокализованным, то есть может свободно перемещаться в пределах всего слоя. Наличие этих подвижных делокализованных электронов обусловливает способность графита проводить электрический ток. Высокая теплопроводность графита объясняется эффективной передачей колебательной энергии по прочным ковалентным связям внутри слоев.

Б. При полном сжигании алмаза образуется углекислый газ. Данное утверждение также является верным. Алмаз, как и графит, состоит из атомов углерода ($C$). Процесс горения представляет собой химическую реакцию с кислородом. Полное сжигание, то есть горение в избытке кислорода, любого вещества, состоящего из углерода, приводит к образованию его высшего оксида — диоксида углерода (углекислого газа), химическая формула которого $CO_2$. Уравнение химической реакции полного сгорания алмаза в кислороде выглядит так: $C_{(\text{алмаз})} + O_{2(\text{г})} \rightarrow CO_{2(\text{г})}$

Таким образом, оба суждения, А и Б, являются верными.
Ответ: 3

5. Углерод проявляет восстановительные свойства в реакции, уравнение которой

1) $2H_2 + C = CH_4$

2) $Ca + 2C = CaC_2$

3) $C + Si = SiC$

4) $C + 4HNO_3 = CO_2 + 2H_2O + 4NO_2$

Восстановитель — это химическое соединение, атом или ион, который в ходе окислительно-восстановительной реакции отдает электроны, при этом его степень окисления повышается. Чтобы определить, в какой из представленных реакций углерод является восстановителем, необходимо проанализировать изменение его степени окисления в каждом из уравнений. Степень окисления углерода в виде простого вещества ($C$) равна 0.

1) $2H_2 + C = CH_4$

В этой реакции углерод ($C$) со степенью окисления 0 переходит в метан ($CH_4$). В соединениях с неметаллами водород обычно проявляет степень окисления +1. Чтобы молекула была электронейтральной, степень окисления углерода должна быть -4. Процесс изменения степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-4}$. Степень окисления углерода понизилась, значит, он принял электроны и является окислителем.
Ответ: углерод является окислителем.

2) $Ca + 2C = CaC_2$

Здесь углерод ($C$, степень окисления 0) реагирует с кальцием, образуя карбид кальция ($CaC_2$). Кальций, как металл второй группы, имеет в соединениях постоянную степень окисления +2. Следовательно, на два атома углерода в ионе $C_2^{2-}$ приходится заряд -2, и степень окисления каждого атома углерода равна -1. Процесс изменения степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-1}$. Степень окисления углерода понизилась, он принял электроны и является окислителем.
Ответ: углерод является окислителем.

3) $C + Si = SiC$

Углерод ($C$, степень окисления 0) вступает в реакцию с кремнием ($Si$), образуя карбид кремния ($SiC$). Углерод более электроотрицателен, чем кремний, поэтому он принимает электроны. В карбиде кремния степень окисления углерода -4, а кремния +4. Процесс изменения степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{-4}$. Степень окисления углерода понизилась, следовательно, он является окислителем.
Ответ: углерод является окислителем.

4) $C + 4HNO_3 = CO_2 + 2H_2O + 4NO_2$

В реакции с азотной кислотой ($HNO_3$) углерод ($C$, степень окисления 0) окисляется до диоксида углерода ($CO_2$). В $CO_2$ кислород имеет степень окисления -2, поэтому степень окисления углерода равна +4. Процесс изменения степени окисления углерода: $C^0 \rightarrow C^{+4}$. Степень окисления углерода повысилась, значит, он отдал электроны и является восстановителем. Окислителем в этой реакции выступает азот ($N^{+5}$ в $HNO_3$), который восстанавливается до $N^{+4}$ в $NO_2$.
Ответ: углерод является восстановителем.

6. Оксид углерода(II)

1) при нормальных условиях представляет собой газ тяжелее воздуха

2) токсичен

3) имеет характерный запах

4) нерастворим в воде

Решение

Оксид углерода(II), также известный как угарный газ, имеет химическую формулу $CO$. Проанализируем каждое утверждение, чтобы определить верное свойство этого вещества.

1) при нормальных условиях представляет собой газ тяжелее воздуха

Чтобы определить, является ли угарный газ тяжелее воздуха, необходимо сравнить их молярные массы. Молярная масса оксида углерода(II) ($CO$) рассчитывается как сумма относительных атомных масс углерода ($C$) и кислорода ($O$):
$M(CO) = A_r(C) + A_r(O) \approx 12 + 16 = 28$ г/моль.
Средняя молярная масса воздуха составляет приблизительно $M_{воздуха} \approx 29$ г/моль (так как воздух состоит примерно на 80% из азота $N_2$ с молярной массой 28 г/моль и на 20% из кислорода $O_2$ с молярной массой 32 г/моль).
Поскольку $M(CO) < M_{воздуха}$ ($28 < 29$), угарный газ на самом деле немного легче воздуха. Следовательно, данное утверждение неверно.

2) токсичен

Оксид углерода(II) — это чрезвычайно токсичный газ. Его опасность для живых организмов, дышащих кислородом, заключается в том, что он связывается с гемоглобином в крови, образуя соединение карбоксигемоглобин. Это соединение примерно в 200–300 раз прочнее, чем соединение гемоглобина с кислородом (оксигемоглобин). В результате кровь теряет способность переносить кислород от легких к тканям и органам, что вызывает кислородное голодание (гипоксию) и может привести к тяжелому отравлению или летальному исходу. Это утверждение является верным.

3) имеет характерный запах

Оксид углерода(II) — это газ, который не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Его коварство заключается именно в том, что человек не может его почувствовать, что увеличивает риск отравления. Следовательно, данное утверждение неверно.

4) нерастворим в воде

Это утверждение не совсем корректно. Оксид углерода(II) считается малорастворимым в воде. Его растворимость при нормальных условиях (температура 20 °C, давление 1 атм) составляет около 2,3 мл газа в 100 мл воды. Хотя растворимость низкая, он не является абсолютно нерастворимым. В контексте выбора наиболее точного утверждения, это является менее правильным, чем утверждение о токсичности, которое является фундаментальным и абсолютно верным свойством угарного газа. Таким образом, это утверждение можно считать неверным.

Проанализировав все варианты, мы приходим к выводу, что единственное полностью верное и однозначное утверждение — второе.

Ответ: 2

7. $CO_2$ реагирует с каждым из двух веществ:

1) $H_2O$ и $H_2SO_4$

2) $H_2$ и $Na_2O$

3) $H_2O$ и $Ca(OH)_2$

4) $P_2O_5$ и $O_2$

Оксид углерода(IV), или углекислый газ ($CO_2$), является кислотным оксидом. Чтобы определить, с какой парой веществ он реагирует, необходимо проанализировать его химические свойства и рассмотреть каждый предложенный вариант.

Как кислотный оксид, $CO_2$ вступает в реакции:

• С водой, образуя угольную кислоту.
• С основаниями (например, гидроксидами металлов), образуя соль и воду.
• С основными оксидами, образуя соли.

Также $CO_2$ может быть восстановлен сильными восстановителями при нагревании. Оксид углерода(IV) не реагирует с кислотами и другими кислотными оксидами, а также с кислородом, так как углерод в нем находится в своей высшей степени окисления (+4).

Реакция с водой ($H_2O$): Оксид углерода(IV) обратимо реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$). Реакция протекает. $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Реакция с серной кислотой ($H_2SO_4$): Оксид углерода(IV) — кислотный оксид, а серная кислота — кислота. Вещества одного класса (кислотные) друг с другом не реагируют.

Поскольку $CO_2$ реагирует только с водой, но не с серной кислотой, данный вариант не является правильным.

Ответ: неверно.

Реакция с водородом ($H_2$): Углекислый газ может быть восстановлен водородом, но эти реакции требуют особых условий (высокая температура, давление, наличие катализатора). Например, возможна реакция с образованием метана: $CO_2 + 4H_2 \xrightarrow{t, p, кат.} CH_4 + 2H_2O$

Реакция с оксидом натрия ($Na_2O$): $Na_2O$ — это основный оксид. Кислотный оксид $CO_2$ реагирует с ним с образованием соли — карбоната натрия. $CO_2 + Na_2O \rightarrow Na_2CO_3$

Хотя реакция с оксидом натрия протекает легко, реакция с водородом требует специфических условий, которые не предполагаются по умолчанию. Поэтому данный вариант, как правило, не считается верным в рамках школьного курса.

Ответ: неверно.

Реакция с водой ($H_2O$): Как уже было указано, $CO_2$ обратимо реагирует с водой, образуя угольную кислоту: $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Реакция с гидроксидом кальция ($Ca(OH)_2$): Гидроксид кальция (известковая вода) является основанием (щёлочью). Кислотный оксид $CO_2$ вступает с ним в реакцию нейтрализации с образованием нерастворимой соли (карбоната кальция) и воды. Эта реакция является качественной для обнаружения углекислого газа. $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

Оксид углерода(IV) реагирует с обоими веществами из данной пары. Эти реакции являются типичными и широко известными.

Ответ: верно.

Реакция с оксидом фосфора(V) ($P_2O_5$): Оксид фосфора(V) также является кислотным оксидом. Два кислотных оксида друг с другом не реагируют.

Реакция с кислородом ($O_2$): В молекуле $CO_2$ углерод находится в высшей степени окисления +4. Дальнейшее окисление кислородом невозможно, поэтому реакция не протекает.

Оксид углерода(IV) не реагирует ни с одним из этих веществ.

Ответ: неверно.

8. Карбонат-ион можно обнаружить с помощью водного раствора

1) гидроксида натрия

2) хлорида калия

3) хлороводорода

4) сульфата аммония

Для обнаружения карбонат-иона ($CO_3^{2-}$) в растворе необходимо провести качественную реакцию, то есть реакцию, которая сопровождается явным внешним признаком, таким как выделение газа, образование осадка или изменение цвета. Рассмотрим предложенные реагенты.

1) гидроксида натрия
При добавлении водного раствора гидроксида натрия ($NaOH$) к раствору, содержащему карбонат-ионы (например, к раствору $Na_2CO_3$), видимые изменения не происходят. Все ионы ($Na^+$, $OH^-$, $CO_3^{2-}$) остаются в растворе, так как все возможные соединения (например, карбонат натрия и гидроксид натрия) хорошо растворимы в воде. Реакция не идет. Следовательно, этот реагент не подходит для обнаружения карбонат-иона.

2) хлорида калия
При смешивании раствора, содержащего карбонат-ионы, с раствором хлорида калия ($KCl$) реакция ионного обмена не протекает, поскольку все возможные продукты (например, хлорид натрия и карбонат калия) являются растворимыми солями. Видимых изменений (осадка, газа) не наблюдается. Этот реагент не является качественным на карбонат-ион.

3) хлороводорода
Водный раствор хлороводорода представляет собой соляную кислоту ($HCl$) — сильную кислоту. Карбонаты, являясь солями слабой и неустойчивой угольной кислоты ($H_2CO_3$), активно реагируют с сильными кислотами. В результате реакции образуется угольная кислота, которая тут же разлагается на воду и углекислый газ ($CO_2$), что наблюдается как бурное выделение пузырьков газа ("вскипание"). Это классическая качественная реакция на карбонат-ион.
Ионное уравнение реакции: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$.
Таким образом, водный раствор хлороводорода является подходящим реагентом.

4) сульфата аммония
При добавлении раствора сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$) к раствору с карбонат-ионами при комнатной температуре не происходит видимой реакции. Все соли, участвующие в возможном обмене, хорошо растворимы в воде. Хотя ионы аммония и карбонат-ионы подвергаются гидролизу, это не приводит к четкому и быстрому визуальному эффекту, необходимому для качественного анализа. Следовательно, этот реагент не используется для обнаружения карбонат-ионов.

Из всего вышесказанного следует, что единственным реагентом из предложенных, позволяющим надежно обнаружить карбонат-ион по характерному признаку (выделению газа), является водный раствор хлороводорода.

Ответ: 3) хлороводорода.