Страница 247 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Задача 2

Докажите опытным путём, что сульфат аммония и нитрат аммония нельзя смешивать с известью перед внесением этих удобрений в почву, и объясните почему. Напишите уравнения реакций.

Решение

Чтобы доказать, что аммонийные удобрения (сульфат аммония и нитрат аммония) нельзя смешивать с известью, проведем следующий эксперимент и дадим химическое объяснение наблюдаемым явлениям.

1. Экспериментальное доказательство

Для проведения опыта понадобятся: сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$), нитрат аммония ($NH_4NO_3$), гашеная известь ($Ca(OH)_2$), две пробирки, вода и влажная лакмусовая бумажка (или универсальный индикатор).

1. В первую пробирку поместим небольшое количество кристаллического сульфата аммония, а во вторую — нитрата аммония.
2. В каждую пробирку добавим немного порошка гашеной извести и тщательно перемешаем содержимое.
3. Для инициирования реакции можно добавить несколько капель воды и слегка подогреть пробирки.

Наблюдение: В обеих пробирках ощущается резкий характерный запах аммиака. Если поднести к отверстию каждой пробирки влажную красную лакмусовую бумажку, она изменит свой цвет на синий. Это подтверждает выделение газа с основными свойствами — аммиака ($NH_3$).

2. Объяснение

Сульфат аммония и нитрат аммония — это соли, образованные слабой основой (гидроксидом аммония $NH_4OH$, который существует в растворе как гидрат аммиака $NH_3 \cdot H_2O$) и сильными кислотами (серной $H_2SO_4$ и азотной $HNO_3$ соответственно). Известь, в частности гашеная известь $Ca(OH)_2$, является щелочью — сильным основанием.

При смешивании солей аммония со щелочами происходит реакция ионного обмена. Более сильное основание ($Ca(OH)_2$) вытесняет более слабое основание ($NH_4OH$) из его соли. Неустойчивый гидроксид аммония тут же разлагается на газообразный аммиак и воду.

Азот в аммонийных удобрениях содержится в виде иона аммония $NH_4^+$, который усваивается растениями. В результате реакции с известью этот азот переходит в летучую форму — аммиак ($NH_3$), который улетучивается в атмосферу. Таким образом, происходит безвозвратная потеря ценного питательного элемента, и эффективность удобрения резко снижается. Именно по этой причине нельзя смешивать аммонийные удобрения со щелочными веществами (известью, золой) перед внесением в почву.

3. Уравнения реакций

• Реакция сульфата аммония с гидроксидом кальция:

  $(NH_4)_2SO_4 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

• Реакция нитрата аммония с гидроксидом кальция:

  $2NH_4NO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: Смешивать сульфат аммония и нитрат аммония с известью перед внесением в почву нельзя, так как в результате химической реакции между солью аммония и щелочью (известью) образуется газообразный аммиак ($NH_3$). Это приводит к улетучиванию азота, основного питательного компонента удобрений, и, следовательно, к потере их агрономической ценности.

Задача 3

Докажите опытным путём, что:

а) в состав хлорида аммония входят ионы $\text{NH}_4^+$ и $\text{Cl}^-$;

б) в состав сульфата аммония входят ионы $\text{NH}_4^+$ и $\text{SO}_4^{2-}$.

Напишите уравнения проведённых реакций в молекулярном и ионном виде.

Решение

a) в состав хлорида аммония входят ионы $NH_4^+$ и $Cl^−$;

Чтобы экспериментально доказать наличие ионов аммония $NH_4^+$ и хлорид-ионов $Cl^−$ в составе хлорида аммония, необходимо провести две качественные реакции.

1. Качественная реакция на ион аммония $NH_4^+$

В пробирку с раствором хлорида аммония $NH_4Cl$ добавляем раствор сильного основания, например, гидроксида натрия $NaOH$, и осторожно нагреваем. В результате реакции происходит выделение газа с резким характерным запахом — аммиака $NH_3$. Для подтверждения можно поднести к отверстию пробирки влажную красную лакмусовую бумажку, которая изменит свой цвет на синий, что доказывает щелочную среду образующегося газа.

Уравнения проведённой реакции:

Молекулярное: $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$

Полное ионное: $NH_4^+ + Cl^− + Na^+ + OH^− \xrightarrow{t} Na^+ + Cl^− + NH_3 \uparrow + H_2O$

Сокращённое ионное: $NH_4^+ + OH^− \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + H_2O$

Выделение аммиака доказывает присутствие иона аммония $NH_4^+$ в исходном веществе.

2. Качественная реакция на хлорид-ион $Cl^−$

В другую пробирку с раствором хлорида аммония $NH_4Cl$ добавляем раствор нитрата серебра $AgNO_3$. Наблюдаем образование белого творожистого осадка хлорида серебра $AgCl$. Этот осадок не растворяется при добавлении сильных кислот, например, азотной кислоты $HNO_3$.

Уравнения проведённой реакции:

Молекулярное: $NH_4Cl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NH_4NO_3$

Полное ионное: $NH_4^+ + Cl^− + Ag^+ + NO_3^− \rightarrow AgCl \downarrow + NH_4^+ + NO_3^−$

Сокращённое ионное: $Ag^+ + Cl^− \rightarrow AgCl \downarrow$

Образование белого осадка, нерастворимого в кислоте, доказывает присутствие хлорид-иона $Cl^−$ в исходном веществе.

Ответ: Наличие ионов $NH_4^+$ и $Cl^−$ в хлориде аммония доказывается двумя качественными реакциями: взаимодействием с раствором щёлочи при нагревании (выделяется аммиак) и взаимодействием с раствором нитрата серебра (выпадает белый творожистый осадок).

б) в состав сульфата аммония входят ионы $NH_4^+$ и $SO_4^{2−}$.

Чтобы экспериментально доказать наличие ионов аммония $NH_4^+$ и сульфат-ионов $SO_4^{2−}$ в составе сульфата аммония, также необходимо провести две качественные реакции.

1. Качественная реакция на ион аммония $NH_4^+$

Опыт проводится аналогично пункту а). К раствору сульфата аммония $(NH_4)_2SO_4$ добавляем раствор щёлочи ($NaOH$) и нагреваем. Выделяется аммиак $NH_3$ с резким запахом, который окрашивает влажную красную лакмусовую бумажку в синий цвет.

Уравнения проведённой реакции:

Молекулярное: $(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Полное ионное: $2NH_4^+ + SO_4^{2−} + 2Na^+ + 2OH^− \xrightarrow{t} 2Na^+ + SO_4^{2−} + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Сокращённое ионное: $NH_4^+ + OH^− \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + H_2O$

Данный опыт подтверждает наличие иона аммония $NH_4^+$ в соли.

2. Качественная реакция на сульфат-ион $SO_4^{2−}$

В другую пробирку с раствором сульфата аммония $(NH_4)_2SO_4$ добавляем раствор соли бария, например, хлорида бария $BaCl_2$. Наблюдаем образование белого мелкокристаллического осадка сульфата бария $BaSO_4$. Этот осадок не растворяется в сильных кислотах (например, в соляной $HCl$ или азотной $HNO_3$).

Уравнения проведённой реакции:

Молекулярное: $(NH_4)_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NH_4Cl$

Полное ионное: $2NH_4^+ + SO_4^{2−} + Ba^{2+} + 2Cl^− \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NH_4^+ + 2Cl^−$

Сокращённое ионное: $Ba^{2+} + SO_4^{2−} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Образование белого осадка, нерастворимого в кислотах, доказывает присутствие сульфат-иона $SO_4^{2−}$ в исходном веществе.

Ответ: Наличие ионов $NH_4^+$ и $SO_4^{2−}$ в сульфате аммония доказывается двумя качественными реакциями: взаимодействием с раствором щёлочи при нагревании (выделяется аммиак) и взаимодействием с раствором соли бария (выпадает белый осадок).

Задача 4

Получите аммиак из следующих солей:

а) хлорида аммония;

б) сульфата аммония;

в) нитрата аммония.

Напишите уравнения проведённых реакций в молекулярном и ионном виде.

Решение

Общий способ получения аммиака из его солей в лабораторных условиях — это взаимодействие солей аммония с сильными основаниями (щелочами), как правило, при нагревании. В ходе реакции обмена более сильное основание (щелочь) вытесняет более слабое основание (гидроксид аммония), которое тут же разлагается на газообразный аммиак и воду. В качестве щелочи можно использовать, например, гидроксид натрия (NaOH) или гидроксид кальция (Ca(OH)₂).

Суть процесса для всех солей аммония одинакова и выражается следующим сокращенным ионным уравнением:

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Рассмотрим получение аммиака из каждой указанной соли, используя в качестве реагента гидроксид натрия.

а) хлорида аммония;

При взаимодействии хлорида аммония с гидроксидом натрия образуются хлорид натрия, аммиак и вода.

Молекулярное уравнение реакции:

$NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$NH_4^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + NH_3 \uparrow + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (получается после сокращения ионов-наблюдателей $Na^+$ и $Cl^-$):

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $NH_4Cl + NaOH \rightarrow NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$. Полное ионное уравнение: $NH_4^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + NH_3 \uparrow + H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$.

б) сульфата аммония;

При взаимодействии сульфата аммония с гидроксидом натрия образуются сульфат натрия, аммиак и вода. Так как в молекуле сульфата аммония два иона аммония, для реакции потребуется две молекулы гидроксида натрия.

Молекулярное уравнение реакции:

$(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Полное ионное уравнение:

$2NH_4^+ + SO_4^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (после сокращения ионов-наблюдателей $Na^+$ и $SO_4^{2-}$ и последующего деления всех коэффициентов на 2):

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$. Полное ионное уравнение: $2NH_4^+ + SO_4^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$.

в) нитрата аммония.

При взаимодействии нитрата аммония с гидроксидом натрия образуются нитрат натрия, аммиак и вода.

Молекулярное уравнение реакции:

$NH_4NO_3 + NaOH \xrightarrow{t} NaNO_3 + NH_3 \uparrow + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$NH_4^+ + NO_3^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + NO_3^- + NH_3 \uparrow + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (после сокращения ионов-наблюдателей $Na^+$ и $NO_3^-$):

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $NH_4NO_3 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + NH_3 \uparrow + H_2O$. Полное ионное уравнение: $NH_4^+ + NO_3^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + NO_3^- + NH_3 \uparrow + H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$.

Задача 5

Проведите реакции, которые выражаются сокращёнными ионными уравнениями:

а) $H^+ + OH^- = H_2O;$

б) $2H^+ + CO_3^{2-} = H_2O + CO_2\uparrow;$

в) $2H^+ + SiO_3^{2-} = H_2SiO_3\downarrow.$

Напишите уравнения проведённых реакций в молекулярном и ионном виде.

Решение

Чтобы составить молекулярные и полные ионные уравнения для заданных сокращённых ионных уравнений, необходимо подобрать реагенты, которые при диссоциации в водном растворе образуют соответствующие ионы, а в результате реакции — указанные продукты.

а) $H^+ + OH^- = H_2O$

Это сокращённое ионное уравнение реакции нейтрализации между любой сильной кислотой и любой сильной растворимой основой (щёлочью). В качестве примера возьмём реакцию между соляной кислотой ($HCl$) и гидроксидом натрия ($NaOH$).

Молекулярное уравнение:

$HCl + NaOH = NaCl + H_2O$

Полное ионное уравнение (учитываем, что $HCl$, $NaOH$ и $NaCl$ — сильные электролиты и полностью диссоциируют в воде, а $H_2O$ — слабый электролит):

$H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- = Na^+ + Cl^- + H_2O$

Сократив одинаковые ионы ($Na^+$ и $Cl^-$) в левой и правой частях, получим исходное сокращённое ионное уравнение.

Ответ:
Молекулярное уравнение: $HCl + NaOH = NaCl + H_2O$
Полное ионное уравнение: $H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- = Na^+ + Cl^- + H_2O$

б) $2H^+ + CO_3^{2-} = H_2O + CO_2 \uparrow$

Это уравнение описывает реакцию между сильной кислотой и растворимым карбонатом. В результате реакции образуется слабая и неустойчивая угольная кислота ($H_2CO_3$), которая сразу разлагается на углекислый газ ($CO_2$) и воду ($H_2O$). Возьмём в качестве реагентов серную кислоту ($H_2SO_4$) и карбонат калия ($K_2CO_3$).

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + K_2CO_3 = K_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение (учитываем, что $H_2SO_4$, $K_2CO_3$ и $K_2SO_4$ — сильные растворимые электролиты):

$2H^+ + SO_4^{2-} + 2K^+ + CO_3^{2-} = 2K^+ + SO_4^{2-} + H_2O + CO_2 \uparrow$

Сократив ионы-наблюдатели ($2K^+$ и $SO_4^{2-}$), получим заданное сокращённое ионное уравнение.

Ответ:
Молекулярное уравнение: $H_2SO_4 + K_2CO_3 = K_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$
Полное ионное уравнение: $2H^+ + SO_4^{2-} + 2K^+ + CO_3^{2-} = 2K^+ + SO_4^{2-} + H_2O + CO_2 \uparrow$

в) $2H^+ + SiO_3^{2-} = H_2SiO_3 \downarrow$

Это уравнение реакции между сильной кислотой и растворимым силикатом, в результате которой в осадок выпадает нерастворимая кремниевая кислота ($H_2SiO_3$). В качестве примера используем соляную кислоту ($HCl$) и силикат натрия ($Na_2SiO_3$).

Молекулярное уравнение:

$2HCl + Na_2SiO_3 = 2NaCl + H_2SiO_3 \downarrow$

Полное ионное уравнение (учитываем, что $HCl$, $Na_2SiO_3$ и $NaCl$ — сильные растворимые электролиты, а $H_2SiO_3$ — нерастворимое вещество):

$2H^+ + 2Cl^- + 2Na^+ + SiO_3^{2-} = 2Na^+ + 2Cl^- + H_2SiO_3 \downarrow$

После сокращения одинаковых ионов ($2Na^+$ и $2Cl^-$) в обеих частях уравнения, мы получим исходное сокращённое ионное уравнение.

Ответ:
Молекулярное уравнение: $2HCl + Na_2SiO_3 = 2NaCl + H_2SiO_3 \downarrow$
Полное ионное уравнение: $2H^+ + 2Cl^- + 2Na^+ + SiO_3^{2-} = 2Na^+ + 2Cl^- + H_2SiO_3 \downarrow$