Страница 114 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Задача 1

Докажите опытным путём, что железный купорос, образец которого вам выдан, содержит примесь сульфата железа (III). Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярном и ионном видах.

Решение

Чтобы доказать наличие примеси сульфата железа(III) в образце железного купороса (сульфата железа(II)), необходимо провести качественную реакцию, специфичную для ионов $Fe^{3+}$. Самой известной и чувствительной является реакция с растворами тиоцианатов (роданидов).

Оборудование и реактивы: пробирка, образец железного купороса ($FeSO_4 \cdot 7H_2O$), дистиллированная вода, раствор тиоцианата калия ($KSCN$) или аммония ($NH_4SCN$).

Ход эксперимента:

1. В пробирку помещаем небольшое количество (на кончике шпателя) исследуемого железного купороса и растворяем его в 2-3 мл дистиллированной воды. Раствор приобретает бледно-зеленоватый цвет, характерный для гидратированных ионов железа(II) - $[Fe(H_2O)_6]^{2+}$.
2. К полученному раствору добавляем 1-2 капли раствора тиоцианата калия.

Наблюдение:

При добавлении тиоцианата калия раствор мгновенно окрашивается в интенсивный кроваво-красный цвет.

Вывод:

Появление кроваво-красного окрашивания является качественным признаком присутствия в растворе ионов железа(III) ($Fe^{3+}$). Эти ионы вступают в реакцию с тиоцианат-ионами ($SCN^−$), образуя интенсивно окрашенные комплексные соединения различного состава, например, $[Fe(SCN)(H_2O)_5]^{2+}$, $[Fe(SCN)_2(H_2O)_4]^{+}$, $Fe(SCN)_3$ и др. Поскольку исходное вещество — сульфат железа(II), наличие ионов $Fe^{3+}$ подтверждает, что образец содержит примесь сульфата железа(III). Эта примесь, как правило, образуется в результате медленного окисления солей железа(II) кислородом воздуха при хранении.

Ответ: При добавлении к водному раствору железного купороса раствора тиоцианата калия наблюдается появление кроваво-красного окрашивания. Это доказывает наличие в исходном образце примеси соединений железа(III).

Запишем уравнения реакции между сульфатом железа(III) (примесь) и тиоцианатом калия (реагент).

Молекулярное уравнение:

$Fe_2(SO_4)_3 + 6KSCN \rightarrow 2Fe(SCN)_3 + 3K_2SO_4$

Полное ионное уравнение:

$2Fe^{3+} + 3SO_4^{2-} + 6K^+ + 6SCN^- \rightarrow 2Fe(SCN)_3 + 6K^+ + 3SO_4^{2-}$

(Здесь $Fe(SCN)_3$ — условная запись для обозначения совокупности растворимых тиоцианатных комплексов железа(III), придающих раствору красный цвет, а не нерастворимое вещество).

Сокращенное ионное уравнение:

Данное уравнение показывает суть происходящего процесса — взаимодействие ионов железа(III) с тиоцианат-ионами с образованием комплексного соединения. В упрощенном виде его можно записать так:

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

Ответ:

Молекулярное уравнение: $Fe_2(SO_4)_3 + 6KSCN \rightarrow 2Fe(SCN)_3 + 3K_2SO_4$.

Сокращенное ионное уравнение: $Fe^{3+} + 3SCN^- \rightarrow Fe(SCN)_3$.

Задача 2

Получите оксид железа (III), исходя из хлорида железа (III). Напишите уравнения соответствующих реакций, а уравнение реакции с участием электролита и в ионном виде.

Решение

Для того чтобы получить оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) из хлорида железа(III) ($FeCl_3$), необходимо провести синтез в две стадии. Сначала из соли получают нерастворимое основание — гидроксид железа(III), а затем это основание разлагают при нагревании до оксида.

На первой стадии к раствору хлорида железа(III) добавляют раствор сильного основания (щелочи), например, гидроксида натрия ($NaOH$). Происходит реакция ионного обмена, в результате которой выпадает нерастворимый осадок гидроксида железа(III) бурого цвета:

$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

Эта реакция протекает в растворе с участием электролитов. Согласно заданию, запишем для нее ионные уравнения. Сильные растворимые электролиты ($FeCl_3$, $NaOH$, $NaCl$) записываются в виде ионов, а нерастворимое вещество ($Fe(OH)_3$) — в молекулярном виде.

Полное ионное уравнение выглядит следующим образом:

$Fe^{3+} + 3Cl^{-} + 3Na^{+} + 3OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3Na^{+} + 3Cl^{-}$

Для получения сокращенного ионного уравнения необходимо исключить из обеих частей уравнения ионы, не принимающие участия в реакции (ионы-наблюдатели). В данном случае это ионы $Na^{+}$ и $Cl^{-}$.

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть химического превращения:

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

На второй стадии полученный гидроксид железа(III) отделяют от раствора и подвергают термическому разложению (прокаливанию). При нагревании он разлагается на оксид железа(III) и воду:

$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$

Таким образом, в результате двух последовательных реакций из хлорида железа(III) был получен оксид железа(III).

Ответ:

Уравнения реакций для получения оксида железа(III) из хлорида железа(III):

1. $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

2. $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t} Fe_2O_3 + 3H_2O$

Уравнение реакции с участием электролита (реакция 1) в ионном виде:

Полное ионное: $Fe^{3+} + 3Cl^{-} + 3Na^{+} + 3OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3Na^{+} + 3Cl^{-}$

Сокращенное ионное: $Fe^{3+} + 3OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow$

Задача 3

Получите раствор алюмината натрия, исходя из хлорида алюминия. Запишите уравнения проделанных реакций в молекулярном и ионном видах.

Решение

Чтобы получить раствор алюмината натрия из хлорида алюминия, необходимо провести реакцию в две стадии. Этот метод наглядно демонстрирует амфотерные свойства гидроксида алюминия.

Стадия 1: Получение гидроксида алюминия

К раствору хлорида алюминия ($AlCl_3$) приливаем по каплям раствор щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). Важно не добавлять избыток щёлочи на этой стадии. В результате реакции обмена выпадает белый студенистый осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$).

Молекулярное уравнение:

$AlCl_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl$

Полное ионное уравнение (все сильные электролиты, находящиеся в растворе, записываются в виде ионов, а нерастворимые вещества, газы и слабые электролиты — в молекулярном виде):

$Al^{3+} + 3Cl^{-} + 3Na^{+} + 3OH^{-} \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3Na^{+} + 3Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение (получается путем исключения одинаковых ионов из обеих частей полного ионного уравнения):

$Al^{3+} + 3OH^{-} \rightarrow Al(OH)_3\downarrow$

Стадия 2: Растворение гидроксида алюминия в избытке щёлочи

Гидроксид алюминия является амфотерным соединением, то есть он способен реагировать как с кислотами, так и со щелочами. К полученному на первой стадии осадку $Al(OH)_3$ добавляем избыток раствора гидроксида натрия. Осадок растворяется, образуя прозрачный раствор комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия ($Na[Al(OH)_4]$).

Молекулярное уравнение:

$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Полное ионное уравнение:

$Al(OH)_3 + Na^{+} + OH^{-} \rightarrow Na^{+} + [Al(OH)_4]^{-}$

Сокращенное ионное уравнение:

$Al(OH)_3 + OH^{-} \rightarrow [Al(OH)_4]^{-}$

Таким образом, итоговый раствор содержит алюминат натрия. Можно также записать суммарное уравнение, описывающее весь процесс при добавлении избытка щёлочи к раствору хлорида алюминия:

Суммарное молекулярное уравнение:

$AlCl_3 + 4NaOH_{изб.} \rightarrow Na[Al(OH)_4] + 3NaCl$

Суммарное полное ионное уравнение:

$Al^{3+} + 3Cl^{-} + 4Na^{+} + 4OH^{-} \rightarrow Na^{+} + [Al(OH)_4]^{-} + 3Na^{+} + 3Cl^{-}$

Суммарное сокращенное ионное уравнение:

$Al^{3+} + 4OH^{-} \rightarrow [Al(OH)_4]^{-}$

Ответ: Для получения раствора алюмината натрия из хлорида алюминия сначала осаждают гидроксид алюминия действием щёлочи ($AlCl_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl$), а затем растворяют полученный амфотерный гидроксид в избытке щёлочи ($Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$). Уравнения реакций в молекулярном и ионном видах представлены выше.

Задача 4

Получите сульфат железа (II), исходя из железа. Запишите уравнения проделанных реакций и разберите окислительно-восстановительные процессы.

Решение

Чтобы получить сульфат железа (II), исходя из металлического железа, необходимо провести реакцию железа с реагентом, содержащим сульфат-ион ($SO_4^{2-}$), который может окислить железо до степени окисления +2. Таким реагентом является разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$). Железо стоит в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, поэтому оно способно вытеснять его из разбавленных кислот. При использовании именно разбавленной серной кислоты железо окисляется до +2.

Уравнение проделанной реакции

Химическое уравнение реакции взаимодействия железа с разбавленной серной кислотой выглядит следующим образом:

$Fe + H_2SO_4 (разб.) \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$

В результате реакции образуется растворимая соль сульфат железа (II) и выделяется газообразный водород.

Разбор окислительно-восстановительного процесса

Данная реакция является окислительно-восстановительной, так как происходит изменение степеней окисления у атомов железа и водорода.

1. Расставим степени окисления для всех элементов в уравнении:

$Fe^0 + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Fe^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + H_2^0$

2. Составим электронный баланс, чтобы определить окислитель и восстановитель.

• Атом железа ($Fe^0$) отдает два электрона, повышая свою степень окисления от 0 до +2. Происходит процесс окисления, следовательно, железо ($Fe$) является восстановителем.
  $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{+2}$
• Катионы водорода ($H^{+1}$) в составе серной кислоты принимают по одному электрону (всего два электрона на молекулу $H_2$), понижая свою степень окисления от +1 до 0. Происходит процесс восстановления, следовательно, серная кислота ($H_2SO_4$) за счет ионов водорода является окислителем.
  $2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$

Количество отданных железом электронов равно количеству принятых водородом электронов, поэтому стехиометрические коэффициенты в уравнении равны 1.

Ответ: Для получения сульфата железа (II) из железа нужно провести реакцию последнего с разбавленной серной кислотой. Уравнение реакции: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2$. В данной окислительно-восстановительной реакции железо ($Fe$) является восстановителем, окисляясь от $Fe^0$ до $Fe^{+2}$, а ионы водорода ($H^{+1}$) в серной кислоте являются окислителем, восстанавливаясь до $H_2^0$.