Страница 248 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

Задача 6

В четырёх пробирках вам даны кристаллические вещества: сульфат натрия, хлорид цинка, карбонат калия, силикат натрия. Определите, в какой пробирке находится каждое из веществ. Составьте уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.

Решение

Для определения каждого из четырех кристаллических веществ — сульфата натрия ($Na_2SO_4$), хлорида цинка ($ZnCl_2$), карбоната калия ($K_2CO_3$) и силиката натрия ($Na_2SiO_3$) — необходимо сначала растворить их в воде, пронумеровав пробирки. Затем провести ряд качественных реакций для их поочередного распознавания.

1. Определение карбоната калия и силиката натрия

В образцы растворов из всех четырех пробирок добавим раствор сильной кислоты, например, соляной ($HCl$). В двух пробирках произойдут характерные изменения. В пробирке с карбонатом калия начнется выделение бесцветного газа ($CO_2$), а в пробирке с силикатом натрия выпадет белый гелеобразный осадок кремниевой кислоты ($H_2SiO_3$). Это позволяет однозначно идентифицировать эти два вещества. В пробирках с сульфатом натрия и хлоридом цинка видимых изменений не произойдет.

Реакция для карбоната калия ($K_2CO_3$):

Молекулярное уравнение: $K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Полное ионное уравнение: $2K^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2K^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

Реакция для силиката натрия ($Na_2SiO_3$):

Молекулярное уравнение: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3\downarrow$

Полное ионное уравнение: $2Na^+ + SiO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2SiO_3\downarrow$

Сокращенное ионное уравнение: $SiO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2SiO_3\downarrow$

Ответ: Пробирка, в которой при добавлении кислоты выделяется газ, содержит карбонат калия. Пробирка, в которой выпадает гелеобразный осадок, содержит силикат натрия.

2. Определение хлорида цинка и сульфата натрия

Возьмем пробы из двух оставшихся пробирок. Добавим к ним раствор щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$).

В пробирке с хлоридом цинка выпадет белый студенистый осадок гидроксида цинка ($Zn(OH)_2$). В пробирке с сульфатом натрия видимых изменений не будет. Таким образом, мы идентифицируем хлорид цинка, а методом исключения — сульфат натрия.

Реакция для хлорида цинка ($ZnCl_2$):

Молекулярное уравнение: $ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение: $Zn^{2+} + 2Cl^- + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение: $Zn^{2+} + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow$

Для подтверждения наличия сульфата натрия в последней пробирке, можно провести качественную реакцию на сульфат-ион, добавив к новой пробе раствор соли бария, например, хлорид бария ($BaCl_2$). Выпадет белый мелкокристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$).

Реакция для сульфата натрия ($Na_2SO_4$):

Молекулярное уравнение: $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$

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

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

Ответ: Пробирка, в которой при добавлении щелочи выпадает осадок, содержит хлорид цинка. Оставшаяся пробирка, в которой при добавлении раствора соли бария выпадает белый осадок, содержит сульфат натрия.

Опыт 1

Получение, собирание и распознавание водорода

Соберите прибор для получения газов и проверьте его на герметичность. В пробирку положите 1—2 гранулы цинка и прилейте в неё 1—2 мл соляной кислоты. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой (см. рис. 63) и наденьте на кончик трубки ещё одну пробирку. Подождите некоторое время, чтобы пробирка заполнилась выделяющимся газом.

Снимите пробирку с газоотводной трубки и, не переворачивая её, немного наклонив, поднесите отверстием к горящей спиртовке. Если в пробирке находится чистый водород, то раздастся глухой хлопок, если «лающий» звук — водород собран в смеси с воздухом, т. е. в пробирке собран «гремучий газ».

Вопросы и задания

1. Что происходит при взаимодействии цинка с соляной кислотой? Составьте уравнение реакции и дайте её характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций. $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$

2. Рассмотрите записанную реакцию с точки зрения процессов окисления-восстановления.

3. Опишите физические свойства водорода, непосредственно наблюдаемые при проведении опыта.

4. Опишите, как можно распознать водород.

1. Что происходит при взаимодействии цинка с соляной кислотой? Составьте уравнение реакции и дайте её характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций.

При взаимодействии металлического цинка с соляной кислотой наблюдается выделение пузырьков газа — это водород. Цинк постепенно растворяется, образуя соль — хлорид цинка. Реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла, что можно было бы заметить по нагреванию пробирки.

Уравнение химической реакции:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Характеристика реакции по различным признакам классификации:

• По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции: это реакция замещения, так как простое вещество (цинк) замещает атомы водорода в сложном веществе (соляной кислоте).
• По изменению степеней окисления: это окислительно-восстановительная реакция, так как цинк и водород изменяют свои степени окисления.
• По тепловому эффекту: это экзотермическая реакция, протекающая с выделением теплоты.
• По направлению: это необратимая реакция, так как она протекает в одном направлении до полного расходования одного из реагентов.
• По агрегатному состоянию веществ (по фазовому составу): это гетерогенная реакция, поскольку реагенты находятся в разных фазах (твердый цинк и раствор соляной кислоты).
• По участию катализатора: это некаталитическая реакция, так как протекает без участия катализатора.

Ответ: При взаимодействии цинка с соляной кислотой образуются хлорид цинка и водород. Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$. Это реакция замещения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, необратимая, гетерогенная, некаталитическая.

2. Рассмотрите записанную реакцию с точки зрения процессов окисления-восстановления.

В данной реакции происходит изменение степеней окисления у двух элементов: цинка и водорода. Запишем уравнение с указанием степеней окисления:

$\stackrel{0}{Zn} + 2\stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl} \rightarrow \stackrel{+2}{Zn}\stackrel{-1}{Cl_2} + \stackrel{0}{H_2} \uparrow$

Процессы окисления и восстановления:

• Атом цинка ($Zn^0$) отдает два электрона и повышает свою степень окисления с 0 до +2. Он является восстановителем. Процесс, который с ним происходит, — окисление.
  $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$
• Катионы водорода ($H^+$) в составе соляной кислоты принимают по одному электрону (всего два катиона принимают два электрона) и понижают свою степень окисления с +1 до 0. Ионы водорода являются окислителем. Процесс, который с ними происходит, — восстановление.
  $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$

Число отданных и принятых электронов равно, следовательно, баланс соблюден.

Ответ: В реакции $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ цинк ($Zn^0$) является восстановителем, он окисляется до $Zn^{+2}$. Ионы водорода ($H^+$) в соляной кислоте являются окислителем, они восстанавливаются до молекулярного водорода ($H_2^0$).

3. Опишите физические свойства водорода, непосредственно наблюдаемые при проведении опыта.

На основании описания опыта можно сделать выводы о следующих физических свойствах водорода:

• Агрегатное состояние. Водород при обычных условиях является газом, так как в ходе реакции он выделяется в виде пузырьков и заполняет пробирку.
• Цвет и запах. В описании опыта не упоминается цвет или запах выделяющегося газа, из чего можно сделать вывод, что водород — это газ без цвета и запаха.
• Плотность. Водород собирают в перевернутую пробирку методом вытеснения воздуха. Этот способ собирания газа применяется для веществ, которые легче воздуха. Следовательно, водород значительно легче воздуха.
• Растворимость в воде. Хотя в данном опыте водород собирают вытеснением воздуха, сам факт его активного выделения из водного раствора кислоты говорит о том, что он плохо растворим в воде.

Ответ: В ходе опыта можно наблюдать, что водород — это бесцветный газ без запаха, который легче воздуха и малорастворим в воде.

4. Опишите, как можно распознать водород.

Согласно описанию опыта, для распознавания водорода необходимо поднести отверстие пробирки с собранным газом к пламени (например, горящей спиртовки). Эта проверка называется проверкой на чистоту.

Результаты проверки могут быть следующими:

• Если в пробирке находится чистый водород, то при поднесении к огню раздастся тихий, глухой хлопок. Это звук быстрого, но не взрывного сгорания водорода в кислороде воздуха с образованием воды ($2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$).
• Если водород собран в смеси с воздухом (в соотношении примерно 2:1 по объему $H_2:O_2$), то образуется так называемый «гремучий газ». При поджигании такой смеси происходит небольшой взрыв, сопровождающийся громким, «лающим» звуком.

Таким образом, качественной реакцией на водород является его способность сгорать с характерным звуком.

Ответ: Распознать водород можно, поднеся пробирку с газом к открытому пламени. Чистый водород сгорает с тихим хлопком, а его смесь с воздухом («гремучий газ») — с громким «лающим» звуком.