Страница 245 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Задача 1

Проведите реакции, подтверждающие качественный состав серной кислоты. Напишите уравнения реакций.

Качественный состав серной кислоты ($H_2SO_4$) определяется наличием ионов водорода ($H^+$), которые обуславливают ее кислотные свойства, и сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$). Для подтверждения их наличия необходимо провести соответствующие качественные реакции.

1. Реакция, подтверждающая наличие ионов водорода ($H^+$)

Наличие ионов водорода ($H^+$), создающих кислотную среду, можно доказать с помощью реакции с активными металлами, основными оксидами, основаниями или солями летучих кислот (например, карбонатами). Реакция с карбонатом натрия ($Na_2CO_3$) является наглядной, так как сопровождается выделением газа.

При добавлении к раствору серной кислоты карбоната натрия происходит бурное выделение углекислого газа ($CO_2$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$H_2SO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть процесса:

$2H^+ + CO_3^{2-} \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Выделение углекислого газа при реакции с карбонатом натрия подтверждает наличие ионов водорода в серной кислоте. Уравнение реакции: $H_2SO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$.

2. Реакция, подтверждающая наличие сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$)

Качественной реакцией на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) является взаимодействие с растворимыми солями бария ($Ba^{2+}$), например, с хлоридом бария ($BaCl_2$) или нитратом бария ($Ba(NO_3)_2$).

При добавлении к раствору серной кислоты раствора хлорида бария выпадает белый кристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$), который не растворяется в воде и сильных кислотах.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть процесса:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: Образование белого осадка, нерастворимого в кислотах, при добавлении раствора соли бария подтверждает наличие сульфат-ионов в серной кислоте. Уравнение реакции: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$.

Задача 2

В пробирку поместите 1—2 гранулы цинка и прилейте в неё около 1 мл разбавленной серной кислоты. Что вы наблюдаете? Напишите уравнение реакции и рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Что вы наблюдаете?

При добавлении разбавленной серной кислоты к гранулам цинка начинается химическая реакция. Визуально наблюдается активное выделение пузырьков бесцветного газа (водорода) с поверхности цинка. Со временем гранулы цинка будут растворяться, пока один из реагентов не закончится.

Ответ: Наблюдается выделение пузырьков газа и постепенное растворение гранул цинка.

Напишите уравнение реакции

Цинк — это металл, который в ряду электрохимической активности металлов стоит до водорода. Поэтому он способен вытеснять водород из разбавленных кислот. Происходит реакция замещения, в результате которой образуется соль (сульфат цинка) и выделяется газообразный водород. Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Ответ: $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Данная реакция является окислительно-восстановительной, так как в ходе нее происходит изменение степеней окисления у некоторых атомов. Расставим степени окисления для всех элементов в уравнении:

$\stackrel{0}{Zn} + \stackrel{+1}{H}_2\stackrel{+6}{S}\stackrel{-2}{O}_4 \rightarrow \stackrel{+2}{Zn}\stackrel{+6}{S}\stackrel{-2}{O}_4 + \stackrel{0}{H}_2 \uparrow$

Из уравнения видно, что степени окисления изменили цинк и водород.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

• Атом цинка отдает два электрона, повышая свою степень окисления с 0 до +2. Процесс отдачи электронов называется окислением. Вещество, отдающее электроны, является восстановителем.
  $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ (процесс окисления, Zn - восстановитель)
• Катионы водорода в серной кислоте принимают электроны, понижая свою степень окисления с +1 до 0. Процесс принятия электронов называется восстановлением. Вещество, принимающее электроны, является окислителем.
  $2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$ (процесс восстановления, $H^{+}$ - окислитель)

Число отданных и принятых электронов равно, поэтому дополнительные коэффициенты в уравнении реакции не требуются.

Ответ: Цинк ($Zn^0$) является восстановителем, он окисляется до $Zn^{+2}$. Катионы водорода ($H^{+1}$), входящие в состав серной кислоты, являются окислителем, они восстанавливаются до молекулярного водорода ($H_2^0$).

Задача 3

Налейте в две пробирки по 1–2 мл раствора сульфида натрия. Прилейте в одну из них такой же объём хлорной воды, а в другую — бромной воды. Что вы наблюдаете? Объясните свои наблюдения. Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярном и ионном виде.

Что вы наблюдаете?

В первой пробирке, при добавлении хлорной воды (раствор $Cl_2$ в воде, имеет бледно-желтую окраску) к бесцветному раствору сульфида натрия, происходит быстрое обесцвечивание смеси. Конечный раствор становится полностью бесцветным и прозрачным, без образования осадка.
Во второй пробирке, при добавлении бромной воды (раствор $Br_2$ в воде, имеет желто-оранжевую или красно-бурую окраску) к раствору сульфида натрия, также происходит обесцвечивание, но одновременно с этим наблюдается помутнение раствора и выпадение мелкодисперсного осадка светло-желтого цвета.

Ответ: В пробирке с хлорной водой раствор обесцвечивается, оставаясь прозрачным. В пробирке с бромной водой раствор обесцвечивается и образуется светло-желтый осадок.

Объясните свои наблюдения.

В обоих случаях протекают окислительно-восстановительные реакции. Сульфид натрия ($Na_2S$) является сильным восстановителем за счет сульфид-иона $S^{2-}$, в котором сера находится в низшей степени окисления -2. Хлорная и бромная вода содержат сильные окислители — соответственно, хлор ($Cl_2$) и бром ($Br_2$).
Окислительная активность галогенов уменьшается сверху вниз по группе в периодической системе, поэтому хлор является более сильным окислителем, чем бром.
1. В первой пробирке хлор, как очень сильный окислитель, окисляет сульфид-ион $S^{2-}$ до максимальной степени окисления +6, превращая его в сульфат-ион $SO_4^{2-}$. Сам хлор восстанавливается до хлорид-иона $Cl^-$. Продукты реакции — сульфат натрия ($Na_2SO_4$) и соляная кислота ($HCl$) — хорошо растворимы в воде, поэтому осадок не образуется, и раствор остается прозрачным. Обесцвечивание происходит из-за расходования молекулярного хлора.
2. Во второй пробирке бром, будучи более слабым окислителем, способен окислить сульфид-ион $S^{2-}$ только до элементарной серы ($S^0$), где степень окисления серы равна 0. Бром при этом восстанавливается до бромид-иона $Br^-$. Образовавшаяся элементарная сера является нерастворимым в воде веществом и выпадает в виде желтого осадка, что и вызывает помутнение раствора.

Ответ: Наблюдения объясняются тем, что и хлор, и бром окисляют сульфид-ион. Однако из-за разной окислительной способности продукты реакции различны: более сильный окислитель хлор окисляет серу до растворимого в воде сульфат-иона ($SO_4^{2-}$), а более слабый окислитель бром — до нерастворимой элементарной серы ($S^0$).

Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярном и ионном виде.

1. Реакция сульфида натрия с хлорной водой
Молекулярное уравнение:
$Na_2S + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow Na_2SO_4 + 8HCl$
Полное ионное уравнение:
$2Na^+ + S^{2-} + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + 8H^+ + 8Cl^-$
Сокращенное ионное уравнение:
$S^{2-} + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow SO_4^{2-} + 8H^+ + 8Cl^-$

2. Реакция сульфида натрия с бромной водой
Молекулярное уравнение:
$Na_2S + Br_2 \rightarrow 2NaBr + S\downarrow$
Полное ионное уравнение:
$2Na^+ + S^{2-} + Br_2 \rightarrow 2Na^+ + 2Br^- + S\downarrow$
Сокращенное ионное уравнение:
$S^{2-} + Br_2 \rightarrow 2Br^- + S\downarrow$

Ответ: Уравнения для реакции с хлорной водой: $Na_2S + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow Na_2SO_4 + 8HCl$ (молекулярное) и $S^{2-} + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow SO_4^{2-} + 8H^+ + 8Cl^-$ (сокращенное ионное). Уравнения для реакции с бромной водой: $Na_2S + Br_2 \rightarrow 2NaBr + S\downarrow$ (молекулярное) и $S^{2-} + Br_2 \rightarrow 2Br^- + S\downarrow$ (сокращенное ионное).

Задача 4

Вам даны три пробирки с растворами. Определите, в какой из них находится соляная кислота, серная кислота и гидроксид натрия. Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярном и ионном виде.

Дано:

Три пробирки с водными растворами веществ: соляная кислота ($HCl$), серная кислота ($H_2SO_4$), гидроксид натрия ($NaOH$).

Найти:

Способ определения содержимого каждой пробирки; уравнения соответствующих реакций в молекулярном, полном и сокращенном ионном виде.

Решение:

Для определения веществ в пробирках необходимо провести качественные реакции. План эксперимента состоит из двух этапов.

1. Определение гидроксида натрия (щелочи)

Во все три пробирки необходимо добавить по несколько капель индикатора, например, фенолфталеина. В щелочной среде гидроксида натрия ($NaOH$) индикатор изменит свой цвет на малиновый. В растворах кислот ($HCl$ и $H_2SO_4$) фенолфталеин останется бесцветным. Таким образом, пробирка с малиновым раствором содержит гидроксид натрия.

2. Различение соляной и серной кислот

В две пробирки, где растворы остались бесцветными, нужно добавить раствор, содержащий ионы бария, например, хлорид бария ($BaCl_2$).

• В пробирке, где находится серная кислота ($H_2SO_4$), выпадет белый кристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$). Это качественная реакция на сульфат-ион.

• В пробирке с соляной кислотой ($HCl$) видимых изменений не произойдет, так как все возможные продукты реакции растворимы в воде.

После проведения этих двух шагов содержимое всех трех пробирок будет определено.

Ниже приведены уравнения реакций, которые были использованы для определения веществ, а также реакции нейтрализации, которые могут протекать между данными веществами.

Реакция обнаружения серной кислоты:

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2H^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Реакция нейтрализации соляной кислоты гидроксидом натрия:

Молекулярное уравнение:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

Реакция нейтрализации серной кислоты гидроксидом натрия:

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$2H^+ + 2OH^- \rightarrow 2H_2O$, что эквивалентно $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

Ответ:

Чтобы определить вещества, сначала с помощью индикатора фенолфталеина находят гидроксид натрия (малиновое окрашивание). Затем к двум оставшимся кислотам добавляют раствор хлорида бария: выпадение белого осадка указывает на серную кислоту. Пробирка, в которой реакция не идет, содержит соляную кислоту. Уравнения реакций:

1. Обнаружение $H_2SO_4$:

Молекулярное: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$

Полное ионное: $2H^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2H^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

2. Нейтрализация $HCl$ и $NaOH$:

Молекулярное: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Сокращенное ионное: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

3. Нейтрализация $H_2SO_4$ и $NaOH$:

Молекулярное: $H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Сокращенное ионное: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$