Страница 202 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

6. Как изменится окраска фенолфталеина при добавлении его к нашатырному спирту? Объясните ответ, составив уравнение химической реакции.

Решение

Нашатырный спирт — это водный раствор аммиака ($NH_3$). При растворении в воде аммиак обратимо реагирует с ней. В результате этой реакции образуются ионы аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$), которые создают в растворе щелочную среду.

Уравнение химической реакции, объясняющее это явление:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Фенолфталеин является кислотно-основным индикатором. Он бесцветен в кислой и нейтральной средах, но в щелочной среде (при pH > 8.2) он приобретает малиновую окраску.

Следовательно, при добавлении фенолфталеина в нашатырный спирт, который имеет щелочную среду из-за наличия ионов $OH^-$, произойдет изменение цвета раствора на малиновый.

Ответ: при добавлении фенолфталеина к нашатырному спирту раствор окрасится в малиновый цвет, так как водный раствор аммиака (нашатырный спирт) имеет щелочную среду.

7. Какую степень окисления имеет азот:

a) в аммиаке;

б) в хлориде аммония;

в) в нитрате аммония;

г) в сульфате аммония?

а) в аммиаке
Химическая формула аммиака — $NH_3$. Молекула является электронейтральной, поэтому алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Степень окисления водорода (H) в соединениях с неметаллами, как правило, равна +1. Обозначим искомую степень окисления азота (N) как $x$.
Составим и решим уравнение:
$x + 3 \cdot (+1) = 0$
$x + 3 = 0$
$x = -3$
Ответ: Степень окисления азота в аммиаке равна -3.

б) в хлориде аммония
Химическая формула хлорида аммония — $NH_4Cl$. Это ионное соединение, которое диссоциирует на катион аммония $NH_4^+$ и хлорид-анион $Cl^-$. Атом азота входит в состав катиона аммония $NH_4^+$, заряд которого равен +1. Сумма степеней окисления атомов в ионе равна его заряду. Степень окисления водорода (H) равна +1. Обозначим степень окисления азота (N) как $x$.
Составим и решим уравнение:
$x + 4 \cdot (+1) = +1$
$x + 4 = 1$
$x = -3$
Ответ: Степень окисления азота в хлориде аммония равна -3.

в) в нитрате аммония
Химическая формула нитрата аммония — $NH_4NO_3$. Это соединение также является ионным и состоит из катиона аммония $NH_4^+$ и нитрат-аниона $NO_3^-$. В данном соединении присутствуют два атома азота, находящиеся в разных ионах, и, следовательно, имеющие разные степени окисления.
1. Для азота в катионе аммония $NH_4^+$ (заряд +1). Обозначим его степень окисления $x_1$. Степень окисления водорода (H) равна +1.
$x_1 + 4 \cdot (+1) = +1 \implies x_1 = -3$.
2. Для азота в нитрат-анионе $NO_3^-$ (заряд -1). Обозначим его степень окисления $x_2$. Степень окисления кислорода (O) в большинстве соединений равна -2.
$x_2 + 3 \cdot (-2) = -1 \implies x_2 - 6 = -1 \implies x_2 = +5$.
Ответ: В нитрате аммония азот имеет две степени окисления: -3 (в ионе $NH_4^+$) и +5 (в ионе $NO_3^-$).

г) в сульфате аммония
Химическая формула сульфата аммония — $(NH_4)_2SO_4$. Это ионное соединение, состоящее из двух катионов аммония $NH_4^+$ и одного сульфат-аниона $SO_4^{2-}$. Атом азота входит в состав катиона аммония $NH_4^+$. Расчет степени окисления азота в этом ионе аналогичен расчетам в пунктах б) и в). Заряд иона $NH_4^+$ равен +1, степень окисления водорода (H) равна +1. Обозначим степень окисления азота (N) как $x$.
$x + 4 \cdot (+1) = +1$
$x = -3$
Ответ: Степень окисления азота в сульфате аммония равна -3.

8. Используя метод электронного баланса, определите коэффициенты в следующей схеме химической реакции:

$ \text{CuO} + \text{NH}_3 \xrightarrow{t} \text{N}_2 + \text{Cu} + \text{H}_2\text{O} $

Решение

Чтобы расставить коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса, выполним следующие шаги:

1. Определим степени окисления каждого элемента в реагентах и продуктах:

$ \stackrel{+2}{\text{Cu}}\stackrel{-2}{\text{O}} + \stackrel{-3}{\text{N}}\stackrel{+1}{\text{H}}_3 \xrightarrow{t} \stackrel{0}{\text{N}}_2 + \stackrel{0}{\text{Cu}} + \stackrel{+1}{\text{H}}_2\stackrel{-2}{\text{O}} $

Из схемы видно, что свои степени окисления изменили медь (Cu) и азот (N).

• $ \text{Cu}^{+2} \rightarrow \text{Cu}^{0} $ - степень окисления меди понизилась, значит, медь является окислителем и проходит процесс восстановления.
• $ \text{N}^{-3} \rightarrow \text{N}_{2}^{0} $ - степень окисления азота повысилась, значит, азот является восстановителем и проходит процесс окисления.

2. Составим полуреакции восстановления и окисления.

Процесс восстановления (принятие электронов):

$ \text{Cu}^{+2} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}^{0} $

Процесс окисления (отдача электронов). Обращаем внимание, что в продуктах образуется молекула азота $ \text{N}_2 $, поэтому в левой части полуреакции нужно учесть два атома азота:

$ 2\text{N}^{-3} - 6\text{e}^- \rightarrow \text{N}_2^{0} $

3. Составим электронный баланс. Число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, принятых окислителем. Для этого находим наименьшее общее кратное (НОК) для чисел принятых и отданных электронов (2 и 6). НОК(2, 6) = 6. Это число определяет, сколько всего электронов участвует в процессе. Дополнительные множители (коэффициенты) для полуреакций находим, разделив НОК на число электронов в каждой полуреакции.

$ \begin{array}{c|c|l} \text{Cu}^{+2} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}^{0} & 6 : 2 = 3 & \text{процесс восстановления (окислитель)} \\ \hline 2\text{N}^{-3} - 6\text{e}^- \rightarrow \text{N}_2^{0} & 6 : 6 = 1 & \text{процесс окисления (восстановитель)} \end{array} $

4. Полученные множители (3 и 1) являются коэффициентами в уравнении реакции. Расставим их:

Коэффициент 3 ставим перед веществами, содержащими медь ($ \text{CuO} $ и $ \text{Cu} $).

Коэффициент 1 ставим перед веществом, содержащим молекулярный азот ($ \text{N}_2 $). Так как в полуреакции окисления участвовало два атома азота ($ 2\text{N}^{-3} $), то перед аммиаком ($ \text{NH}_3 $) ставим коэффициент 2.

Получаем схему с расставленными коэффициентами:

$ 3\text{CuO} + 2\text{NH}_3 \xrightarrow{t} 1\text{N}_2 + 3\text{Cu} + \text{H}_2\text{O} $ (коэффициент 1 обычно не пишется).

5. Уравняем остальные элементы. В данном случае, это водород и кислород. Подсчитаем их количество в левой части:

• Атомов водорода (H): $2 \times 3 = 6$.
• Атомов кислорода (O): $3 \times 1 = 3$.

Чтобы уравнять их в правой части, необходимо поставить коэффициент 3 перед молекулой воды ($ \text{H}_2\text{O} $). Тогда в правой части будет $3 \times 2 = 6$ атомов водорода и $3 \times 1 = 3$ атома кислорода.

6. Запишем итоговое уравнение и выполним проверку:

$ 3\text{CuO} + 2\text{NH}_3 \xrightarrow{t} \text{N}_2 + 3\text{Cu} + 3\text{H}_2\text{O} $

Проверка:

• Cu: слева 3, справа 3.
• O: слева 3, справа 3.
• N: слева 2, справа 2.
• H: слева $2 \times 3 = 6$, справа $3 \times 2 = 6$.

Баланс атомов соблюден, коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $ 3\text{CuO} + 2\text{NH}_3 \xrightarrow{t} \text{N}_2 + 3\text{Cu} + 3\text{H}_2\text{O} $.

9. Почему азот в аммиаке проявляет только восстановительные свойства?

Окислительно-восстановительные свойства соединения зависят от степеней окисления входящих в него элементов. Элемент, находящийся в своей низшей степени окисления, может только отдавать электроны, то есть быть восстановителем, и повышать свою степень окисления. Элемент в высшей степени окисления может только принимать электроны, то есть быть окислителем, и понижать свою степень окисления. Если элемент находится в промежуточной степени окисления, он может проявлять двойственные свойства (быть и окислителем, и восстановителем).

Азот ($N$) — это элемент 15-й группы периодической таблицы. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^3$. На внешнем уровне у него 5 валентных электронов.

Это означает, что диапазон возможных степеней окисления для азота — от $-3$ (приняв 3 электрона до завершения октета) до $+5$ (отдав все 5 валентных электронов).

В молекуле аммиака ($NH_3$) степень окисления водорода равна $+1$. Поскольку молекула в целом электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Определим степень окисления азота ($x$):
$x + 3 \cdot (+1) = 0$
$x = -3$

Степень окисления $-3$ является низшей для атома азота. Находясь в этом состоянии, атом азота не может принять еще электроны и понизить свою степень окисления. Он может только отдавать электроны, то есть окисляться, повышая свою степень окисления (например, до $0$ в $N_2$, до $+2$ в $NO$, до $+4$ в $NO_2$ и т.д.).

Вещество, которое в ходе реакции отдает электроны и окисляется, является восстановителем. Следовательно, аммиак может проявлять только восстановительные свойства за счет атома азота в низшей степени окисления.

Например, в реакции горения аммиака в кислороде:
$4\overset{-3}{N}H_3 + 3O_2 \rightarrow 2\overset{0}{N_2} + 6H_2O$
Азот повышает свою степень окисления с $-3$ до $0$, выступая восстановителем.

Ответ: Азот в молекуле аммиака ($NH_3$) имеет степень окисления $-3$, что является для него низшей возможной. Поэтому в окислительно-восстановительных реакциях атом азота может только отдавать электроны, повышая свою степень окисления, и, следовательно, проявлять исключительно восстановительные свойства.

10. Как получают аммиак: а) в промышленности; б) в лабораторных условиях?

а) в промышленности

В промышленности аммиак ($NH_3$) получают синтезом из простых веществ — азота ($N_2$) и водорода ($H_2$) — по процессу Габера-Боша. Это один из самых важных промышленных химических процессов.

Сырьем служат азот, получаемый фракционной перегонкой жидкого воздуха, и водород, который в основном производят паровой конверсией метана (природного газа).

Реакция синтеза аммиака является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема газов: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$ (где Q = 92,4 кДж)

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продукта (аммиака) необходимо:

• Повышенное давление: Так как реакция идет с уменьшением числа молей газа (из 4 молей исходных газов образуется 2 моля продукта), высокое давление способствует смещению равновесия вправо. В промышленности процесс ведут при давлении 15–35 МПа (150–350 атмосфер).
• Пониженная температура: Так как прямая реакция экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие в сторону продукта. Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому выбирают компромиссную температуру около 400–500 °C, которая обеспечивает приемлемую скорость реакции при достаточно высоком выходе продукта.
• Использование катализатора: Для увеличения скорости реакции используют катализатор. Обычно это пористое (губчатое) железо с добавками (промоторами) оксидов алюминия ($Al_2O_3$) и калия ($K_2O$).

Технологический процесс включает очистку азотно-водородной смеси, ее сжатие, нагрев и пропускание через катализатор в колонне синтеза. Образовавшийся аммиак отделяют от непрореагировавших газов путем охлаждения и конденсации (аммиак сжижается при –33 °C, а азот и водород остаются газами). Непрореагировавшие газы возвращают в цикл (рециркуляция).

Ответ: В промышленности аммиак получают каталитическим синтезом из азота и водорода (процесс Габера-Боша) при высокой температуре (400–500 °C), высоком давлении (15–35 МПа) и с использованием железного катализатора.

б) в лабораторных условиях

В лаборатории аммиак получают в небольших количествах, используя более простые и безопасные методы, чем в промышленности. Наиболее распространенный способ — это действие сильных щелочей на соли аммония при слабом нагревании.

Чаще всего используют смесь хлорида аммония ($NH_4Cl$) и гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$), так как гидроксид кальция является дешевой и негигроскопичной щелочью.

Уравнение реакции: $2NH_4Cl_{(тв)} + Ca(OH)_{2(тв)} \xrightarrow{t} CaCl_2 + 2H_2O + 2NH_{3(г)}\uparrow$

Реакционную смесь (твердые вещества) помещают в пробирку или колбу и осторожно нагревают. Выделяющийся газообразный аммиак собирают. Поскольку аммиак легче воздуха (молярная масса 17 г/моль против средней молярной массы воздуха ~29 г/моль) и очень хорошо растворяется в воде, его собирают методом вытеснения воздуха, располагая пробирку-приемник вверх дном.

Обнаружить аммиак можно по характерному резкому запаху или с помощью влажной индикаторной бумаги (красная лакмусовая бумага синеет, а фенолфталеиновая становится малиновой), так как водный раствор аммиака имеет щелочную среду.

Ответ: В лабораторных условиях аммиак получают при нагревании смеси соли аммония (например, хлорида аммония) с твердой щелочью (например, гидроксидом кальция).