Страница 112 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Задание 2

Проведите реакции, подтверждающие качественный состав хлорида кальция. Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

Хлорид кальция ($CaCl_2$) — это соль, которая в водном растворе диссоциирует на катионы кальция ($Ca^{2+}$) и хлорид-анионы ($Cl^-$). Для подтверждения качественного состава необходимо провести раздельные реакции на каждый из этих ионов.

Качественная реакция на катион кальция ($Ca^{2+}$)

Реакцией на ион кальция является его взаимодействие с растворимыми карбонатами, например, с карбонатом натрия ($Na_2CO_3$). В результате реакции образуется нерастворимое в воде вещество белого цвета — карбонат кальция ($CaCO_3$).

Молекулярное уравнение реакции:

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$Ca^{2+} + 2Cl^- + 2Na^+ + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$

Ответ: При добавлении к раствору хлорида кальция раствора карбоната натрия наблюдается выпадение белого осадка, что доказывает присутствие в растворе катионов кальция $Ca^{2+}$.

Качественная реакция на хлорид-анион ($Cl^-$)

Качественным реактивом на хлорид-ионы являются ионы серебра ($Ag^+$), которые чаще всего добавляют в виде раствора нитрата серебра ($AgNO_3$). При взаимодействии хлорид-ионов с ионами серебра образуется белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$), который не растворяется в сильных кислотах (например, в азотной кислоте).

Молекулярное уравнение реакции:

$CaCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow 2AgCl \downarrow + Ca(NO_3)_2$

Полное ионное уравнение:

$Ca^{2+} + 2Cl^- + 2Ag^+ + 2NO_3^- \rightarrow 2AgCl \downarrow + Ca^{2+} + 2NO_3^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl \downarrow$

Ответ: При добавлении к раствору хлорида кальция раствора нитрата серебра наблюдается выпадение белого творожистого осадка, что доказывает присутствие в растворе хлорид-анионов $Cl^-$.

Задание 3

Осуществите превращения согласно следующей схеме¹:

$\text{Fe} \rightarrow \text{FeCl}_2 \rightarrow \text{FeCl}_3$

Напишите уравнения соответствующих реакций и рассмотрите их с позиций окисления-восстановления. Проведите качественные реакции, подтверждающие наличие продуктов реакций. Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

1. Превращение $Fe \rightarrow FeCl_2$

Решение

Для осуществления первого превращения необходимо провести реакцию металлического железа с соляной кислотой. Железо, как металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений до водорода, способно вытеснять его из растворов кислот-неокислителей, образуя соль железа(II).

Уравнение реакции и анализ с позиций окисления-восстановления:

Молекулярное уравнение реакции:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$

В этой реакции железо и водород изменяют свои степени окисления:

$ \stackrel{0}{Fe} + 2\stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl} \rightarrow \stackrel{+2}{Fe}\stackrel{-1}{Cl_2} + \stackrel{0}{H_2}\uparrow $

Составим электронный баланс:

$ \stackrel{0}{Fe} - 2e^- \rightarrow \stackrel{+2}{Fe} $ | 1 | процесс окисления

$ 2\stackrel{+1}{H} + 2e^- \rightarrow \stackrel{0}{H_2} $ | 1 | процесс восстановления

Железо $Fe^0$ является восстановителем, так как отдает электроны. Ионы водорода $H^+$ являются окислителем, так как принимают электроны.

Качественная реакция на продукт $FeCl_2$:

Для подтверждения образования хлорида железа(II), то есть наличия в растворе ионов $Fe^{2+}$, используется реакция с гексацианоферратом(III) калия $K_3[Fe(CN)_6]$ (красной кровяной солью). В результате образуется темно-синий осадок, известный как турнбулева синь.

Уравнение в молекулярной форме:

$3FeCl_2 + 2K_3[Fe(CN)_6] \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2\downarrow + 6KCl$

Уравнение в полной ионной форме:

$3Fe^{2+} + 6Cl^- + 6K^+ + 2[Fe(CN)_6]^{3-} \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2\downarrow + 6K^+ + 6Cl^-$

Уравнение в сокращенной ионной форме:

$3Fe^{2+} + 2[Fe(CN)_6]^{3-} \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2\downarrow$

Ответ: Превращение осуществляется по уравнению $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$. $Fe$ – восстановитель, $H^+$ – окислитель. Наличие продукта $FeCl_2$ подтверждается реакцией с $K_3[Fe(CN)_6]$, в ходе которой выпадает синий осадок $Fe_3[Fe(CN)_6]_2$.

2. Превращение $FeCl_2 \rightarrow FeCl_3$

Решение

Для окисления хлорида железа(II) до хлорида железа(III) необходимо использовать более сильный окислитель, чем ионы $H^+$. Для этой цели подходит газообразный хлор.

Уравнение реакции и анализ с позиций окисления-восстановления:

Молекулярное уравнение реакции:

$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

В этой реакции железо и хлор изменяют свои степени окисления:

$ 2\stackrel{+2}{Fe}\stackrel{-1}{Cl_2} + \stackrel{0}{Cl_2} \rightarrow 2\stackrel{+3}{Fe}\stackrel{-1}{Cl_3} $

Составим электронный баланс:

$ \stackrel{+2}{Fe} - 1e^- \rightarrow \stackrel{+3}{Fe} $ | 2 | процесс окисления

$ \stackrel{0}{Cl_2} + 2e^- \rightarrow 2\stackrel{-1}{Cl} $ | 1 | процесс восстановления

Ион железа $Fe^{2+}$ является восстановителем. Молекулярный хлор $Cl_2$ является окислителем.

Качественная реакция на продукт $FeCl_3$:

Для подтверждения образования хлорида железа(III), то есть наличия в растворе ионов $Fe^{3+}$, используется реакция с раствором тиоцианата (роданида) калия $KSCN$ или аммония $NH_4SCN$. В результате образуются комплексы железа(III) интенсивного кроваво-красного цвета.

Уравнение в молекулярной форме (упрощенно):

$FeCl_3 + 3KSCN \rightarrow Fe(SCN)_3 + 3KCl$

Уравнение в полной ионной форме:

$Fe^{3+} + 3Cl^- + 3K^+ + 3SCN^- \rightarrow Fe(SCN)_3 + 3K^+ + 3Cl^-$

Уравнение в сокращенной ионной форме (показывающее образование окрашенного продукта):

$Fe^{3+} + 3SCN^- \rightarrow Fe(SCN)_3$

Ответ: Превращение осуществляется по уравнению $2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$. $Fe^{2+}$ – восстановитель, $Cl_2$ – окислитель. Наличие продукта $FeCl_3$ подтверждается реакцией с $KSCN$, в ходе которой раствор приобретает кроваво-красную окраску.

Задание 4

Получите сульфат железа (II) не менее чем тремя способами. Уравнения реакций ионного обмена запишите в ионной и молекулярной формах, а реакции замещения рассмотрите с позиций окисления-восстановления.

Решение

Сульфат железа(II) ($FeSO_4$) можно получить несколькими способами. Рассмотрим три из них, выполнив требования задачи.

Способ 1. Реакция замещения: взаимодействие железа с разбавленной серной кислотой

Более активные металлы, стоящие в ряду активности до водорода, могут вытеснять его из растворов кислот. Железо активнее водорода, поэтому оно вступает в реакцию замещения с серной кислотой, образуя соль (сульфат железа(II)) и водород.

Молекулярное уравнение реакции:
$Fe + H_2SO_4 (разб.) \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$

Эта реакция является окислительно-восстановительной. Рассмотрим ее с позиций электронного баланса:
$Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$ | 1 (процесс окисления, $Fe^0$ – восстановитель)
$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ | 1 (процесс восстановления, $H^+$ – окислитель)
Железо повышает свою степень окисления от 0 до +2, являясь восстановителем. Водород понижает свою степень окисления от +1 до 0, являясь окислителем.

Ответ: Сульфат железа(II) получают реакцией замещения между железом и разбавленной серной кислотой: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$. В этой реакции железо ($Fe^0$) является восстановителем, а ионы водорода ($H^+$) — окислителем.

Способ 2. Реакция ионного обмена: взаимодействие оксида железа(II) с серной кислотой

Оксид железа(II) $FeO$ является основным оксидом и реагирует с кислотами с образованием соли и воды. Эта реакция относится к реакциям ионного обмена.

Молекулярное уравнение:
$FeO + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2O$

Для написания ионного уравнения учтем, что оксид железа(II) — твердое, нерастворимое в воде вещество, серная кислота — сильный электролит, а сульфат железа(II) — растворимая соль.
Полное ионное уравнение:
$FeO(тв) + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Fe^{2+} + SO_4^{2-} + H_2O$
Сокращенное ионное уравнение, полученное после исключения ионов $SO_4^{2-}$, присутствующих в обеих частях уравнения:
$FeO(тв) + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2O$

Ответ: Сульфат железа(II) можно получить реакцией ионного обмена между оксидом железа(II) и серной кислотой. Молекулярное уравнение: $FeO + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $FeO(тв) + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2O$.

Способ 3. Реакция ионного обмена: взаимодействие гидроксида железа(II) с серной кислотой

Гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$ является нерастворимым основанием и вступает в реакцию нейтрализации с кислотами, образуя соль и воду. Это также реакция ионного обмена.

Молекулярное уравнение:
$Fe(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + 2H_2O$

Для написания ионного уравнения учтем, что гидроксид железа(II) — нерастворимое в воде основание, поэтому в ионных уравнениях его формула записывается в молекулярном виде.
Полное ионное уравнение:
$Fe(OH)_2(тв) + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Fe^{2+} + SO_4^{2-} + 2H_2O$
Сокращенное ионное уравнение:
$Fe(OH)_2(тв) + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + 2H_2O$

Ответ: Сульфат железа(II) получают в результате реакции нейтрализации гидроксида железа(II) серной кислотой. Молекулярное уравнение: $Fe(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + 2H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $Fe(OH)_2(тв) + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + 2H_2O$.