Страница 244 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.

Для создания классного банка данных по ключевым словам и словосочетаниям, связанным с темой «Базы данных», можно использовать следующие электронные адреса (URL), ведущие на авторитетные и образовательные ресурсы.

База данных (БД)

Это упорядоченная совокупность данных, организованная по определённым правилам. Базы данных предназначены для хранения, накопления, поиска и обработки больших объёмов информации. Ниже приведены ссылки, которые подробно раскрывают это понятие.

• База данных — Википедия: фундаментальная статья, описывающая историю, классификацию и основные концепции баз данных.
• Что такое база данных и как она устроена: доступная статья для начинающих от образовательной платформы Skillbox.
• Основы баз данных: статья от Microsoft, которая объясняет основные термины на примере СУБД Access.

Ответ: https://ru.wikipedia.org/wiki/База_данных, https://skillbox.ru/media/code/chto-takoe-baza-dannykh/, https://support.microsoft.com/ru-ru/office/основы-баз-данных-4a6c478a-531e-43c2-bb3a-a5367b6d1948.

Система управления базами данных (СУБД)

Это специализированное программное обеспечение, которое позволяет пользователям создавать, управлять и взаимодействовать с базами данных. СУБД обеспечивает целостность, безопасность и доступность данных.

• Система управления базами данных — Википедия: подробная статья о назначении, функциях и классификации СУБД.
• Что такое СУБД: понятное объяснение с примерами популярных систем от технологической компании Selectel.

Ответ: https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_управления_базами_данных, https://selectel.ru/blog/chto-takoe-subd/.

Структура реляционной базы данных (Таблица, Поле, Запись)

В наиболее распространённой, реляционной, модели данные хранятся в виде таблиц. Таблица — основной объект, состоящий из столбцов и строк. Поле (или атрибут) — это столбец таблицы, содержащий однотипные данные (например, «Имя» или «Дата рождения»). Запись (или кортеж) — это строка таблицы, содержащая набор значений полей для одного объекта.

• Основные понятия и архитектура баз данных: лекция от Национального Открытого Университета «ИНТУИТ», где подробно разбираются эти понятия.
• Основы проектирования баз данных: руководство от Microsoft, которое наглядно объясняет, как устроены таблицы, поля и записи.

Ответ: http://www.intuit.ru/studies/courses/105/105/lecture/3074, https://support.microsoft.com/ru-ru/office/основы-проектирования-баз-данных-b7444c93-8a32-44df-9de1-ec212c77f6d3.

Ключевое поле (Первичный ключ)

Это поле (или комбинация полей), значение которого уникально для каждой записи в таблице. Первичный ключ не может содержать пустых (NULL) значений и используется для однозначной идентификации записей и для связи между таблицами.

• Первичный ключ — Википедия: определение, свойства и примеры использования первичного ключа.
• Первичный ключ (Primary key): статья из руководства по языку SQL, объясняющая назначение и синтаксис создания первичного ключа.

Ответ: https://ru.wikipedia.org/wiki/Первичный_ключ, https://sql-academy.org/ru/guide/primary-key.

Запрос

Это команда к СУБД для выполнения определённых действий с данными, чаще всего — для выборки информации по заданным критериям. Запросы также используются для добавления, изменения и удаления данных. Язык SQL является стандартом для написания запросов в реляционных БД.

• Запрос (базы данных) — Википедия: общая информация о запросах к базам данных.
• Интерактивный учебник SQL: практический ресурс для изучения языка запросов SQL.
• Введение в запросы Access: руководство по созданию запросов в популярной учебной СУБД Microsoft Access.

Ответ: https://ru.wikipedia.org/wiki/Запрос_(базы_данных), https://sql-ex.ru/learn_sql_tutorial.php, https://support.microsoft.com/ru-ru/office/введение-в-запросы-access-a313620a-b072-463c-8827-a8a25c345373.

Формы и Отчеты

Это объекты базы данных, которые служат для удобного взаимодействия пользователя с данными. Формы предоставляют графический интерфейс для ввода, просмотра и редактирования записей. Отчеты предназначены для вывода данных на печать или в файл в структурированном и отформатированном виде.

• Создание формы в Access: практическое руководство по созданию форм от Microsoft.
• Введение в отчеты в Access: руководство по созданию отчетов.

Ответ: https://support.microsoft.com/ru-ru/office/создание-формы-в-access-69b61d33-3d3f-488d-910a-485a3c6a461c, https://support.microsoft.com/ru-ru/office/введение-в-отчеты-в-access-e0869f59-7536-4d1d-9e03-79815591353a.

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Поскольку тема урока и ключевые слова параграфа не указаны, в качестве примера будет рассмотрена тема «Электрический ток в металлах». Ниже представлены два варианта выполнения задания: план для создания презентации и готовый текст сообщения.

Презентация по теме урока

Этот вариант предполагает создание визуального информационного продукта. Ниже представлен подробный план-структура для презентации на тему «Электрический ток в металлах».

• Слайд 1: Титульный лист

  • Тема: Электрический ток в металлах

  • Автор: Фамилия, Имя, класс

  • Название учебного заведения, город

  • Год создания

• Слайд 2: Введение

  • Определение электрического тока как упорядоченного движения заряженных частиц.

  • Изображение или схема, иллюстрирующая протекание тока в проводе.

  • Краткое описание важности темы: электричество в быту и технике.

• Слайд 3: Строение металлов

  • Ключевые понятия: кристаллическая решетка, ионы в узлах решетки, свободные электроны («электронный газ»).

  • Визуальная модель кристаллической решетки металла с ионами и хаотично движущимися между ними свободными электронами.

• Слайд 4: Носители заряда в металлах

  • Основной тезис: носителями свободного заряда в металлах являются электроны.

  • Объяснение: почему именно электроны подвижны, а положительные ионы прочно связаны в узлах кристаллической решетки и могут лишь совершать колебания.

• Слайд 5: Механизм возникновения тока

  • Сравнение движения электронов без внешнего электрического поля (хаотичное, тепловое движение) и при наличии поля (направленное движение, наложенное на хаотичное).

  • Анимация или две схемы для наглядного сравнения.

• Слайд 6: Скорость движения электронов

  • Разграничение понятий:

  • 1. Скорость теплового движения: огромна ( $ \sim 10^5 $ м/с), но хаотична.

  • 2. Скорость упорядоченного (дрейфового) движения: очень мала (доли миллиметра в секунду).

  • Объяснение «парадокса»: почему свет загорается мгновенно? Ответ — из-за почти мгновенного распространения электрического поля по всему проводнику.

• Слайд 7: Электрическое сопротивление

  • Причина сопротивления: столкновение свободных электронов с ионами кристаллической решетки, что замедляет их упорядоченное движение.

  • Зависимость сопротивления металлов от температуры: при нагревании колебания ионов усиливаются, столкновений становится больше, сопротивление растет.

• Слайд 8: Сверхпроводимость (дополнительно)

  • Краткое определение явления — исчезновение электрического сопротивления при охлаждении до сверхнизких температур.

  • Имя первооткрывателя (Х. Камерлинг-Оннес) и год открытия.

• Слайд 9: Заключение

  • Краткие выводы по всей теме:

  • Ток в металлах — это упорядоченное движение свободных электронов.

  • Это движение возникает под действием внешнего электрического поля.

  • Скорость дрейфа электронов мала, но ток возникает почти мгновенно благодаря высокой скорости распространения поля.

• Слайд 10: Источники информации

  • Список сайтов, учебников и других ресурсов, которые были использованы при подготовке презентации.

Ответ: Выше представлен подробный пошаговый план для создания мультимедийной презентации на заданную тему. Для выполнения задания необходимо, используя поисковые системы (Яндекс, Google), найти информацию и иллюстрации по каждому пункту плана и оформить их в виде слайдов в программе для создания презентаций (например, Microsoft PowerPoint, Google Slides, LibreOffice Impress).

Сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа

Этот вариант предполагает подготовку текстового доклада. В качестве примера ключевой фразы выбрано «Скорость упорядоченного движения электронов».

Сообщение на тему: «Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике»

Когда мы говорим об электрическом токе, мы представляем себе некий поток зарядов, движущийся по проводам. Естественно возникает вопрос: насколько быстро движутся эти заряды? Ответ на этот вопрос оказывается довольно неожиданным и требует различать два совершенно разных вида скорости электронов в металле.

Во-первых, существует скорость теплового движения. Свободные электроны в металле ведут себя подобно молекулам газа — они находятся в непрерывном хаотическом движении, постоянно сталкиваясь друг с другом и с ионами кристаллической решетки. Скорость этого движения очень велика и при комнатной температуре составляет сотни километров в секунду ($ \sim 10^5 - 10^6 $ м/с). Однако, поскольку движение беспорядочно, оно не создает направленного переноса заряда, то есть не является электрическим током.

Во-вторых, есть скорость упорядоченного (дрейфового) движения. Когда мы подключаем проводник к источнику тока (например, к батарейке), внутри проводника создается электрическое поле. Это поле заставляет все свободные электроны, помимо их хаотического движения, смещаться в одном направлении — против направления вектора напряженности поля. Это и есть упорядоченное движение, которое формирует электрический ток. Скорость этого дрейфа можно рассчитать по формуле:

$v = \frac{I}{n \cdot e \cdot S}$

где $I$ — сила тока, $n$ — концентрация свободных электронов в металле, $e$ — заряд электрона ($1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл), а $S$ — площадь поперечного сечения проводника.

Давайте проведем оценку для обычного медного провода сечением $S = 1 \text{ мм}^2 = 10^{-6} \text{ м}^2$ при силе тока $I = 1 \text{ А}$. Концентрация свободных электронов в меди очень велика: $n \approx 8.5 \cdot 10^{28} \text{ м}^{-3}$. Подставив значения, получим:

$v = \frac{1 \text{ А}}{(8.5 \cdot 10^{28} \text{ м}^{-3}) \cdot (1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}) \cdot (10^{-6} \text{ м}^2)} \approx 0.000074 \text{ м/с}$

Это составляет всего $0.074$ миллиметра в секунду! То есть за минуту электрон сместится всего на 4-5 миллиметров.

Возникает логичный вопрос: если электроны движутся так медленно, почему лампочка в комнате загорается мгновенно, как только мы щелкаем выключателем? Ответ заключается в том, что по цепи со скоростью, близкой к скорости света ($c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}$), распространяется не сам электрон, а электрическое поле. Оно мгновенно воздействует на все свободные электроны по всей длине провода, заставляя их одновременно приходить в упорядоченное движение. Электроны, которые находятся в нити накала лампы, начинают двигаться практически в тот же момент, что и электроны у выключателя. Это похоже на длинную трубу, полностью заполненную шариками: как только мы толкаем первый шарик, последний почти мгновенно выталкивается с другого конца.

Таким образом, для правильного понимания природы тока в металлах важно различать три скорости: гигантскую скорость хаотического теплового движения электронов, ничтожно малую скорость их упорядоченного дрейфа и колоссальную скорость распространения электрического поля, которая и обеспечивает быстродействие всех электрических устройств.

Ответ: Выше представлен развернутый текст сообщения по выбранной ключевой фразе. Для выполнения задания необходимо выбрать ключевое слово или словосочетание из вашего параграфа, найти по нему информацию с помощью интернет-ресурсов и составить аналогичный связный текст, который можно будет зачитать перед классом.

1. Укажите сходство и различие оксида углерода (IV) и оксида кремния (IV) по строению и свойствам. Напишите уравнения реакций.

Оксид углерода(IV) ($CO_2$) и оксид кремния(IV) ($SiO_2$) являются высшими оксидами элементов IV группы, углерода и кремния. Несмотря на то, что эти элементы — аналоги по группе, их оксиды имеют существенные различия в строении и свойствах, но также и определенное сходство.

Сходство

Сходство свойств $CO_2$ и $SiO_2$ обусловлено тем, что оба элемента находятся в одной группе и имеют одинаковую высшую степень окисления +4. Оба оксида являются кислотными.

• Реагируют с основными оксидами при нагревании с образованием солей — карбонатов и силикатов:

  $CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$

  $SiO_2 + CaO \xrightarrow{t} CaSiO_3$

• Реагируют с растворами щелочей с образованием солей и воды (для $SiO_2$ требуется нагревание или сплавление):

  $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

  $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

• Могут быть восстановлены сильными восстановителями (например, магнием или углеродом) при высокой температуре:

  $CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} C + 2MgO$

  $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

Ответ: Сходство оксида углерода(IV) и оксида кремния(IV) заключается в их кислотном характере: они оба реагируют с основными оксидами и щелочами, образуя соли (карбонаты и силикаты). В этих оксидах углерод и кремний проявляют одинаковую степень окисления +4.

Различие

Основные различия между оксидами углерода и кремния определяются типом их кристаллической решетки.

• Строение и физические свойства:

  Оксид углерода(IV) ($CO_2$) имеет молекулярную кристаллическую решетку. Он состоит из отдельных линейных молекул $O=C=O$, связанных между собой слабыми межмолекулярными силами. Поэтому $CO_2$ при обычных условиях — газ, а в твердом состоянии ("сухой лед") легко возгоняется (сублимирует).

  Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) имеет атомную кристаллическую решетку. Каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода — с двумя атомами кремния, образуя гигантскую трехмерную структуру. Благодаря прочным ковалентным связям по всему кристаллу, $SiO_2$ (кварц, песок) — это очень твердое и тугоплавкое вещество.

• Химические свойства:

  Различие в строении приводит и к различиям в химических свойствах.

  1. Отношение к воде:

  $CO_2$ частично растворяется в воде и обратимо реагирует с ней, образуя слабую и нестабильную угольную кислоту:

  $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

  $SiO_2$ с водой не реагирует. Соответствующая ему кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) нерастворима в воде и получается косвенным путем, например, действием сильных кислот на растворы силикатов:

  $Na_2SiO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + Na_2SO_4$

  2. Отношение к плавиковой кислоте ($HF$):

  $SiO_2$ реагирует с плавиковой кислотой, что используется для травления стекла:

  $SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4 \uparrow + 2H_2O$

  $CO_2$ с плавиковой кислотой не взаимодействует.

Ответ: Главное различие между оксидами — тип кристаллической решетки: молекулярная у $CO_2$ (газ, слабые межмолекулярные связи) и атомная у $SiO_2$ (твердое тугоплавкое вещество, прочные ковалентные связи). Это обуславливает их разные физические свойства и химическую активность: $CO_2$ реагирует с водой с образованием угольной кислоты, в то время как $SiO_2$ с водой не реагирует, но вступает в реакцию с плавиковой кислотой, в отличие от $CO_2$.

2. Почему углерод называют основным элементом живой природы, а кремний — основным элементом неживой природы?

Углерод называют основным элементом живой природы, а кремний — основным элементом неживой природы из-за фундаментальных различий в их химических свойствах, которые определяют их роль в строении мира.

Почему углерод — элемент жизни:

Углерод является идеальной основой для сложных молекул, из которых состоят все живые организмы. Это обусловлено следующими причинами:

• Валентность и стабильность связей. Атом углерода имеет четыре валентных электрона, что позволяет ему формировать четыре прочные ковалентные связи. Это дает возможность создавать сложные и разветвленные молекулярные каркасы.
• Способность к катенации. Углерод обладает уникальной способностью атомов соединяться друг с другом, образуя длинные, устойчивые цепи и кольца. Связь углерод-углерод ($C-C$) очень прочна (энергия связи около $348 \text{ кДж/моль}$), что обеспечивает стабильность «скелетов» гигантских органических молекул, таких как белки и ДНК.
• Разнообразие соединений. Углерод способен образовывать не только одинарные, но и двойные, и тройные связи с другими атомами углерода и с ключевыми для жизни элементами — кислородом, водородом, азотом. Это многократно увеличивает разнообразие возможных структур и функций органических молекул.
• Свойства оксида. Продукт окисления углерода — диоксид углерода ($CO_2$) — является газом, легко растворимым в воде. Это позволяет живым организмам эффективно участвовать в газообмене с окружающей средой (дыхание и фотосинтез) и транспортировать его внутри организма.

Почему кремний — элемент неживой природы:

Кремний, хотя и является химическим аналогом углерода (находится в той же группе периодической системы), не подходит на роль основы жизни, но идеально подходит для формирования геологических структур.

• Распространенность. Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре (после кислорода). Он составляет основу большинства горных пород, песка и глин в виде своего оксида и силикатов.
• Прочность связи с кислородом. Связь кремний-кислород ($Si-O$) исключительно прочна (энергия связи около $452 \text{ кДж/моль}$), гораздо прочнее связи $Si-Si$. Из-за этого кремний в природе существует преимущественно в виде оксида кремния ($SiO_2$) и силикатов — очень стабильных, инертных и тугоплавких соединений, образующих прочные кристаллические решетки. Эти свойства хороши для минералов, но не для динамичных биологических систем.
• Слабость кремниевых цепей. Связь кремний-кремний ($Si-Si$) значительно слабее углеродной (около $226 \text{ кДж/моль}$). Длинные цепочки из атомов кремния (силаны) нестабильны и легко разрушаются, особенно в присутствии воды, которая является основой жизни.
• Свойства оксида. Оксид кремния ($SiO_2$) — это твердое, нерастворимое в воде вещество (песок). Если бы жизнь была основана на кремнии, то выделение такого продукта метаболизма было бы практически невозможным для организма.

Таким образом, химические свойства углерода делают его идеальным для создания динамичного и разнообразного мира органических молекул, в то время как свойства кремния предопределили его роль в качестве строительного материала для стабильных и инертных структур неживой природы.

Ответ: Углерод является основным элементом живой природы благодаря своей уникальной способности образовывать разнообразные и стабильные длинные цепи и кольца, создавая сложные органические молекулы (белки, жиры, углеводы), необходимые для жизни. Его оксид ($CO_2$) — газ, что удобно для обмена веществ. Кремний — основной элемент неживой природы, так как он широко распространен в земной коре и образует сверхпрочные связи с кислородом, формируя инертные и стабильные минералы, такие как песок ($SiO_2$) и силикаты. Цепи из атомов кремния непрочны, а его твердый и нерастворимый оксид несовместим с динамичными процессами живых систем.

3. При взаимодействии избытка раствора гидроксида натрия с 16 г кремния было получено 22,4 л водорода (н. у.). Вычислите массовую долю кремния во взятом образце. Найдите массу оксида кремния (IV) в нём. Рассчитайте массу 60%-го раствора щёлочи, необходимую для реакции.

Дано:

$m_{образца}$ = 16 г
$V(H_2)$ = 22,4 л (н. у.)
$\omega(NaOH)$ = 60% или 0,6

Найти:

$\omega(Si)$ - ?
$m(SiO_2)$ - ?
$m_{р-ра}(NaOH)$ - ?

Решение:

В образце, состоящем из кремния (Si) и оксида кремния (IV) (SiO₂), с избытком раствора гидроксида натрия (NaOH) реагируют оба компонента. Водород (H₂) выделяется только в реакции с кремнием, так как реакция оксида кремния (IV) с щёлочью протекает без выделения газа.

Уравнение реакции кремния с гидроксидом натрия:

$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2 \uparrow$

Уравнение реакции оксида кремния (IV) с гидроксидом натрия:

$SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$

Вычислите массовую долю кремния во взятом образце.

1. Найдем количество вещества выделившегося водорода. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{22,4 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 1 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$ найдем количество вещества кремния, вступившего в реакцию. Соотношение количеств веществ кремния и водорода равно $n(Si) : n(H_2) = 1 : 2$.

$n(Si) = \frac{1}{2} n(H_2) = \frac{1}{2} \times 1 \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$

3. Вычислим массу кремния. Молярная масса кремния $M(Si) = 28$ г/моль.

$m(Si) = n(Si) \times M(Si) = 0,5 \text{ моль} \times 28 \text{ г/моль} = 14 \text{ г}$

4. Рассчитаем массовую долю кремния в образце массой 16 г.

$\omega(Si) = \frac{m(Si)}{m_{образца}} \times 100\% = \frac{14 \text{ г}}{16 \text{ г}} \times 100\% = 0,875 \times 100\% = 87,5\%$

Ответ: Массовая доля кремния в образце составляет 87,5%.

Найдите массу оксида кремния (IV) в нём.

1. Масса образца состоит из массы кремния и массы оксида кремния (IV), который является примесью.

$m_{образца} = m(Si) + m(SiO_2)$

2. Найдем массу оксида кремния (IV) по разности.

$m(SiO_2) = m_{образца} - m(Si) = 16 \text{ г} - 14 \text{ г} = 2 \text{ г}$

Ответ: Масса оксида кремния (IV) в образце составляет 2 г.

Рассчитайте массу 60%-го раствора щёлочи, необходимую для реакции.

1. Гидроксид натрия реагирует как с кремнием, так и с оксидом кремния (IV). Найдем общее количество вещества щёлочи, необходимое для обеих реакций.

2. Количество вещества щёлочи для реакции с кремнием ($n_1(NaOH)$). Из уравнения реакции $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$ следует, что $n_1(NaOH) : n(Si) = 2 : 1$.

$n_1(NaOH) = 2 \times n(Si) = 2 \times 0,5 \text{ моль} = 1 \text{ моль}$

3. Количество вещества щёлочи для реакции с оксидом кремния (IV) ($n_2(NaOH)$). Сначала найдем количество вещества $SiO_2$. Молярная масса $M(SiO_2) = 28 + 2 \times 16 = 60$ г/моль.

$n(SiO_2) = \frac{m(SiO_2)}{M(SiO_2)} = \frac{2 \text{ г}}{60 \text{ г/моль}} = \frac{1}{30} \text{ моль}$

Из уравнения реакции $SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$ следует, что $n_2(NaOH) : n(SiO_2) = 2 : 1$.

$n_2(NaOH) = 2 \times n(SiO_2) = 2 \times \frac{1}{30} \text{ моль} = \frac{1}{15} \text{ моль}$

4. Общее количество вещества щёлочи:

$n_{общ}(NaOH) = n_1(NaOH) + n_2(NaOH) = 1 + \frac{1}{15} = \frac{16}{15} \text{ моль}$

5. Вычислим массу чистого гидроксида натрия. Молярная масса $M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40$ г/моль.

$m(NaOH) = n_{общ}(NaOH) \times M(NaOH) = \frac{16}{15} \text{ моль} \times 40 \text{ г/моль} = \frac{640}{15} \text{ г} = \frac{128}{3} \text{ г} \approx 42,67 \text{ г}$

6. Рассчитаем массу 60%-го раствора гидроксида натрия.

$m_{р-ра}(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{\omega(NaOH)} = \frac{128/3 \text{ г}}{0,6} = \frac{128}{3 \times 0,6} \text{ г} = \frac{128}{1,8} \text{ г} = \frac{640}{9} \text{ г} \approx 71,11 \text{ г}$

Ответ: Масса 60%-го раствора щёлочи, необходимая для реакции, составляет примерно 71,11 г.

4. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

a) $SiO_2 \xrightarrow{1} Si \xrightarrow{2} Ca_2Si \xrightarrow{3} SiH_4 \xrightarrow{4} SiO_2 \xrightarrow{5} Si;$

б) $Si \xrightarrow{1} SiO_2 \xrightarrow{2} Na_2SiO_3 \xrightarrow{3} H_2SiO_3 \xrightarrow{4} SiO_2 \xrightarrow{5} Si.$

Рассмотрите процессы окисления-восстановления.

Решение:

1. Для получения кремния из оксида кремния(IV) проводят реакцию восстановления с помощью активного восстановителя, например, магния или углерода, при высокой температуре. Уравнение реакции с магнием: $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в степени окисления $+4$ является окислителем, а магний в степени окисления $0$ – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$ (окисление).

2. Силицид кальция $Ca_2Si$ можно получить прямым синтезом из простых веществ при нагревании. Уравнение реакции: $2Ca + Si \xrightarrow{t} Ca_2Si$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кальций является восстановителем (окисляется от $0$ до $+2$), а кремний – окислителем (восстанавливается от $0$ до $-4$). Процессы окисления и восстановления: $Ca^0 - 2e^- \rightarrow Ca^{+2}$ (окисление); $Si^0 + 4e^- \rightarrow Si^{-4}$ (восстановление).

3. Силан $SiH_4$ получают гидролизом силицидов металлов или их реакцией с кислотами. Уравнение реакции с соляной кислотой: $Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4$. В этой реакции степени окисления элементов не изменяются ($Ca^{+2}, Si^{-4}, H^{+1}, Cl^{-1}$), следовательно, это реакция ионного обмена, а не окислительно-восстановительная.

4. Силан самовоспламеняется на воздухе, сгорая с образованием оксида кремния(IV) и воды. Уравнение реакции: $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в $SiH_4$ (степень окисления $-4$) является восстановителем, а кислород $O_2$ (степень окисления $0$) – окислителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{-4} - 8e^- \rightarrow Si^{+4}$ (окисление); $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление).

5. Получение кремния из его оксида можно провести карботермическим методом (восстановление углем). Уравнение реакции: $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в степени окисления $+4$ является окислителем, а углерод – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ (окисление).

Ответ:

1. $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

2. $2Ca + Si \xrightarrow{t} Ca_2Si$

3. $Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4$

4. $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$

5. $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO$

Решение:

1. Оксид кремния(IV) можно получить путем окисления кремния кислородом при нагревании. Уравнение реакции: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний $Si^0$ является восстановителем, а кислород $O_2^0$ – окислителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ (окисление); $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление).

2. Оксид кремния(IV) является кислотным оксидом и реагирует с щелочами с образованием солей – силикатов. Уравнение реакции с гидроксидом натрия: $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$. Степени окисления элементов в ходе реакции не изменяются, это не окислительно-восстановительная реакция.

3. Кремниевая кислота является очень слабой, поэтому ее можно вытеснить из раствора ее солей действием более сильных кислот, например, соляной или даже угольной. Уравнение реакции с соляной кислотой: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + 2NaCl$. Это реакция ионного обмена, не является окислительно-восстановительной.

4. Кремниевая кислота – неустойчивое соединение, при нагревании она разлагается на оксид кремния(IV) и воду. Уравнение реакции: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$. Это реакция разложения, степени окисления элементов не меняются.

5. Восстановление кремния из его оксида можно провести с помощью алюминотермии. Уравнение реакции: $3SiO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Si + 2Al_2O_3$. Это окислительно-восстановительная реакция. $Si^{+4}$ является окислителем, а $Al^0$ – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ (окисление).

Ответ:

1. $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$

2. $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

3. $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + 2NaCl$

4. $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$

5. $3SiO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Si + 2Al_2O_3$