Страница 60 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

1. Определите число электронов, которое отдают три атома железа молекуле воды в реакции образования железной окалины.

1 Дано:
Реакция: взаимодействие железа (Fe) и воды (H₂O)
Продукт: железная окалина (Fe₃O₄)
Количество атомов железа, вступающих в реакцию: 3

Найти:
Число электронов $N_e$, которое отдают три атома железа.

Решение:

Чтобы определить число отданных электронов, необходимо сначала составить уравнение химической реакции образования железной окалины. Железная окалина представляет собой смешанный оксид железа(II, III) с формулой $Fe_3O_4$. Реакция железа с водяным паром при высокой температуре приводит к ее образованию:

$3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t} Fe_3O_4 + 4H_2$

Это окислительно-восстановительная реакция, в которой железо выступает в роли восстановителя (отдает электроны), а водород в составе воды — в роли окислителя (принимает электроны). Для подсчета числа переданных электронов определим степени окисления элементов, которые их изменяют.

До реакции:
- Железо ($Fe$) — простое вещество, степень окисления равна 0 ($Fe^0$).
- Водород в воде ($H_2O$) имеет степень окисления +1 ($H^{+1}$).

После реакции:
- В составе железной окалины ($Fe_3O_4$) железо имеет две разные степени окисления. Формулу $Fe_3O_4$ можно рассматривать как соединение оксида железа(II) $FeO$ и оксида железа(III) $Fe_2O_3$. Следовательно, из трех атомов железа в $Fe_3O_4$ один имеет степень окисления +2 ($Fe^{+2}$), а два других — +3 ($Fe^{+3}$).
- Водород ($H_2$) — простое вещество, степень окисления равна 0 ($H_2^0$).

Теперь рассчитаем общее число электронов, которое отдают три атома железа ($3Fe^0$) при превращении в $Fe_3O_4$.

1. Один атом $Fe^0$ окисляется до $Fe^{+2}$, отдавая 2 электрона:
$Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{+2}$

2. Два атома $Fe^0$ окисляются до $Fe^{+3}$, каждый из которых отдает по 3 электрона (в сумме $2 \cdot 3 = 6$ электронов):
$2Fe^0 - 6e^- \rightarrow 2Fe^{+3}$

Суммарное число электронов, отданных тремя атомами железа, составляет:
$N_e = 2 + 6 = 8$

Таким образом, в ходе реакции три атома железа отдают 8 электронов. Эти 8 электронов принимают восемь атомов водорода ($8H^{+1}$ из четырех молекул воды), восстанавливаясь до четырех молекул водорода ($4H_2^0$).

Ответ: 8.

2. Вычислите объём воздуха (н. у.), который потребуется для сжигания 36 г магния. (Напоминаем, что объёмная доля кислорода в воздухе равна 0,21.)

Дано:

Масса магния $m(Mg) = 36 \text{ г}$

Объёмная доля кислорода в воздухе $\phi(O_2) = 0.21$

Найти:

Объём воздуха $V(\text{воздуха}) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции горения магния. Сжигание происходит в кислороде, который является частью воздуха. В результате реакции образуется оксид магния:

$2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$

2. Рассчитаем количество вещества магния, вступившего в реакцию. Для этого используем молярную массу магния, которая составляет $M(Mg) = 24 \text{ г/моль}$.

$n(Mg) = \frac{m(Mg)}{M(Mg)} = \frac{36 \text{ г}}{24 \text{ г/моль}} = 1.5 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим, какое количество вещества кислорода требуется для сжигания 1.5 моль магния. Из уравнения видно, что на 2 моль магния расходуется 1 моль кислорода, то есть соотношение $n(Mg) : n(O_2)$ равно 2:1.

$n(O_2) = \frac{1}{2} \cdot n(Mg) = \frac{1}{2} \cdot 1.5 \text{ моль} = 0.75 \text{ моль}$

4. Вычислим объём кислорода, который занимает 0.75 моль газа при нормальных условиях (н. у.). Молярный объём газа при н. у. ($V_m$) равен 22,4 л/моль.

$V(O_2) = n(O_2) \cdot V_m = 0.75 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 16.8 \text{ л}$

5. Зная объём кислорода и его объёмную долю в воздухе, рассчитаем общий объём воздуха, необходимый для реакции. Объёмная доля компонента в смеси ($\phi$) — это отношение объёма компонента к общему объёму смеси.

$V(\text{воздуха}) = \frac{V(O_2)}{\phi(O_2)} = \frac{16.8 \text{ л}}{0.21} = 80 \text{ л}$

Ответ: для сжигания 36 г магния потребуется 80 л воздуха (н. у.).

3. Вычислите объём водорода (н. у.), который может быть получен при растворении в воде 120 мг кальция, если выход газа составляет 80% от теоретически возможного.

Дано:

Найти:

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия кальция с водой. При этой реакции образуются гидроксид кальция и выделяется газообразный водород.

$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca}(\text{OH})_2 + \text{H}_2\uparrow$

2. Найдем количество вещества кальция ($Ca$), вступившего в реакцию. Молярная масса кальция, согласно периодической таблице Д. И. Менделеева, составляет $M(\text{Ca}) \approx 40 \text{ г/моль}$.

$n(\text{Ca}) = \frac{m(\text{Ca})}{M(\text{Ca})} = \frac{0.12 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0.003 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим теоретически возможное количество вещества водорода ($H_2$). Из уравнения видно, что из 1 моль кальция образуется 1 моль водорода, следовательно, их количества веществ соотносятся как 1:1.

$n_{теор.}(\text{H}_2) = n(\text{Ca}) = 0.003 \text{ моль}$

4. Вычислим теоретический объем водорода, который может выделиться при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем любого газа при н. у. составляет $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$V_{теор.}(\text{H}_2) = n_{теор.}(\text{H}_2) \cdot V_m = 0.003 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 0.0672 \text{ л}$

5. Рассчитаем практический объем водорода с учетом того, что выход реакции составляет 80% ($\eta = 0.8$).

$V_{практ.}(\text{H}_2) = V_{теор.}(\text{H}_2) \cdot \eta(\text{H}_2)$

$V_{практ.}(\text{H}_2) = 0.0672 \text{ л} \cdot 0.8 = 0.05376 \text{ л}$

6. Для наглядности можно перевести полученный объем в миллилитры:

$0.05376 \text{ л} \cdot 1000 \frac{\text{мл}}{\text{л}} = 53.76 \text{ мл}$

Ответ: объём водорода, который может быть получен, составляет 0.05376 л (или 53.76 мл).

4. Почему щелочные и щёлочноземельные металлы хранят под слоем керосина? Почему литий, в отличие от натрия и калия, хранят в вазелине?

Почему щелочные и щёлочноземельные металлы хранят под слоем керосина?

Щелочные металлы (элементы IА группы: литий, натрий, калий и др.) и щёлочноземельные металлы (элементы IIА группы, начиная с кальция: кальций, стронций, барий) обладают очень высокой химической активностью. Из-за этого на открытом воздухе они мгновенно вступают в реакции с его компонентами:

• С кислородом ($O_2$): Металлы быстро окисляются, образуя на своей поверхности плёнку из оксидов, пероксидов или супероксидов. Например, реакция натрия с кислородом:
  $4Na + O_2 \rightarrow 2Na_2O$ (оксид натрия)
  $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$ (пероксид натрия)
• С парами воды ($H_2O$): Металлы бурно реагируют с водой, образуя щёлочь (гидроксид) и выделяя газообразный водород. Реакция является сильно экзотермической, и выделяемое тепло способно воспламенить водород.
  $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$
• С углекислым газом ($CO_2$): Происходит реакция с образованием карбонатов и других продуктов.
  $4Na + 3CO_2 \rightarrow 2Na_2CO_3 + C$

Для предотвращения этих нежелательных реакций и сохранения металлов в чистом виде их необходимо полностью изолировать от контакта с атмосферой. Керосин представляет собой смесь жидких углеводородов и является химически инертной средой по отношению к этим металлам. Он не вступает с ними в реакцию и создает эффективный защитный барьер, блокирующий доступ кислорода, паров воды и углекислого газа к поверхности металла.

Ответ: Щелочные и щёлочноземельные металлы хранят под слоем керосина, чтобы изолировать их от компонентов воздуха (кислорода, паров воды, углекислого газа), с которыми они очень активно реагируют. Керосин является инертной жидкостью, которая создает защитный барьер и предотвращает коррозию металлов.

Почему литий, в отличие от натрия и калия, хранят в вазелине?

Ключевое различие, которое определяет способ хранения лития, — это его плотность по сравнению с плотностью керосина, натрия и калия.

• Плотность лития ($Li$): $\approx 0,534 \, г/см^3$
• Плотность натрия ($Na$): $\approx 0,971 \, г/см^3$
• Плотность калия ($K$): $\approx 0,862 \, г/см^3$
• Плотность керосина: $\approx 0,78–0,81 \, г/см^3$

Как видно из значений, плотность лития значительно меньше плотности керосина. Поэтому, если поместить литий в керосин, он не утонет, а будет плавать на его поверхности. В результате верхняя часть куска металла останется незащищенной и будет контактировать с воздухом, что делает такой способ хранения неэффективным. Натрий и калий, в свою очередь, плотнее керосина, поэтому они опускаются на дно сосуда и остаются полностью покрытыми защитным слоем жидкости.

Для хранения лития используют вазелин или плотное минеральное (парафиновое) масло. Вазелин — это вязкая, мазеобразная и химически инертная смесь углеводородов. Благодаря своей консистенции он плотно обволакивает кусок лития, создавая надежный и герметичный защитный слой, который эффективно изолирует металл от воздуха.

Ответ: Литий хранят в вазелине, потому что его плотность меньше плотности керосина. Из-за этого он всплывает на поверхность керосина и контактирует с воздухом. Вязкий и инертный вазелин обволакивает литий, создавая надежный защитный слой и предотвращая его реакцию с компонентами воздуха.

5. Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которой:

$Ca + HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + N_2O\uparrow + H_2O.$

Какой ион проявляет в этой реакции окислительные свойства?

Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которой: $Ca + HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + N_2O\uparrow + H_2O$

Дано:

Схема реакции: $Ca + HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + N_2O + H_2O$

Найти:

Коэффициенты в уравнении реакции.

Решение:

1. Определим степени окисления элементов, которые изменяются в ходе реакции. Для этого расставим степени окисления над каждым элементом в схеме:

$ \stackrel{0}{Ca} + H\stackrel{+1}{N}\stackrel{+5}{O_3}\stackrel{-2}{} \rightarrow \stackrel{+2}{Ca}(\stackrel{+5}{N}\stackrel{-2}{O_3})_2 + \stackrel{+1}{N}_2\stackrel{-2}{O} + H_2\stackrel{+1}{O}\stackrel{-2}{} $

Свои степени окисления изменяют кальций (с 0 до +2) и азот (с +5 до +1).

2. Составим полуреакции окисления (отдача электронов) и восстановления (принятие электронов).

Кальций отдает 2 электрона, являясь восстановителем:

$Ca^0 - 2e^- \rightarrow Ca^{+2}$

Азот принимает 4 электрона на каждый атом. Так как в продукте ($N_2O$) два атома азота, то в процессе восстановления участвуют 2 иона азота, которые суммарно принимают 8 электронов:

$2N^{+5} + 8e^- \rightarrow N_2^{+1}$

3. Составим электронный баланс. Число отданных электронов должно быть равно числу принятых. Находим наименьшее общее кратное (НОК) для чисел 2 и 8. НОК(2,8) = 8. Это означает, что в реакции участвуют 4 атома кальция и 2 атома азота (из которых образуется $N_2O$).

$ \begin{array}{c|c c l|c} Ca^0 & - & 2e^- & \rightarrow Ca^{+2} & 4 \\ 2N^{+5} & + & 8e^- & \rightarrow N_2^{+1} & 1 \end{array} $

Множитель 4 ставим перед $Ca$ и $Ca(NO_3)_2$. Множитель 1 ставим перед $N_2O$.

$4Ca + HNO_3 \rightarrow 4Ca(NO_3)_2 + 1N_2O + H_2O$

4. Уравняем количество всех атомов. Начнем с азота. В правой части уравнения $4 \cdot 2 = 8$ атомов азота в нитрате кальция и 2 атома в оксиде азота(I). Всего $8 + 2 = 10$ атомов азота. Следовательно, в левой части перед $HNO_3$ нужно поставить коэффициент 10.

$4Ca + 10HNO_3 \rightarrow 4Ca(NO_3)_2 + N_2O + H_2O$

5. Уравняем атомы водорода. В левой части 10 атомов водорода. Чтобы в правой части их тоже стало 10, перед $H_2O$ ставим коэффициент 5.

$4Ca + 10HNO_3 \rightarrow 4Ca(NO_3)_2 + N_2O + 5H_2O$

6. Проверим правильность расстановки коэффициентов по числу атомов кислорода.

Слева: $10 \cdot 3 = 30$ атомов.

Справа: $4 \cdot (2 \cdot 3) + 1 + 5 = 24 + 1 + 5 = 30$ атомов.

Количество атомов кислорода слева и справа одинаково, следовательно, коэффициенты расставлены верно.

Ответ: $4Ca + 10HNO_3 = 4Ca(NO_3)_2 + N_2O + 5H_2O$.

Какой ион проявляет в этой реакции окислительные свойства?

Решение:

Окислитель — это частица (атом, молекула или ион), которая в ходе реакции принимает электроны, понижая свою степень окисления. В рассматриваемой реакции элементом-окислителем является азот, который восстанавливается из степени окисления +5 до +1.

В исходном веществе ($HNO_3$) азот находится в степени окисления +5. Азотная кислота является сильным электролитом и в водном растворе диссоциирует на ионы водорода ($H^+$) и нитрат-ионы ($NO_3^-$). Именно нитрат-ион $NO_3^-$ содержит атом азота в высшей степени окисления (+5) и выступает в роли окислителя, принимая электроны.

Ответ: Окислительные свойства в этой реакции проявляет нитрат-ион ($NO_3^-$).

6. Можно ли получить водород при взаимодействии свинца с раствором серной кислоты?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть химические свойства свинца и серной кислоты, а также продуктов их возможного взаимодействия.

Свинец (Pb) в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит до водорода (H). Это означает, что свинец является достаточно активным металлом, чтобы вытеснять водород из растворов кислот-неокислителей, к которым относится разбавленная серная кислота. Теоретически реакция должна протекать по следующему уравнению:

$Pb_{(тв)} + H_2SO_4{(р-р)} \rightarrow PbSO_4 + H_2 \uparrow$

Однако, ключевым моментом в этой реакции является один из продуктов — сульфат свинца(II) ($PbSO_4$). Согласно таблице растворимости, сульфат свинца является нерастворимым в воде веществом.

Как только реакция начинается, на поверхности металлического свинца образуется тонкая, плотная и нерастворимая пленка сульфата свинца ($PbSO_4$). Эта пленка покрывает поверхность металла и физически преграждает доступ серной кислоты к непрореагировавшему свинцу. Этот процесс называется пассивацией металла. В результате пассивации реакция практически мгновенно прекращается.

Таким образом, несмотря на положение свинца в ряду активности, получить значительное количество водорода при его взаимодействии с раствором серной кислоты не удастся. Реакция идет только на поверхности и сразу же затухает.

Ответ: Нет, практически получить водород при взаимодействии свинца с раствором серной кислоты невозможно. Хотя свинец и стоит в ряду активности металлов до водорода, реакция не идет из-за образования на поверхности свинца нерастворимой пленки сульфата свинца(II) ($PbSO_4$), которая пассивирует металл и прекращает реакцию.

7. Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которой:

$Zn + H_2SO_{4(конц)} \longrightarrow ZnSO_4 + H_2S\uparrow + H_2O.$

Какое вещество проявляет в этой реакции восстановительные свойства?

Методом электронного баланса определите коэффициенты в уравнении реакции, схема которой: Zn + H₂SO₄(конц) → ZnSO₄ + H₂S↑ + H₂O.

Решение

1. Определим степени окисления элементов в веществах до и после реакции:
$ \overset{0}{Zn} + H_2\overset{+6}{S}O_4 \rightarrow \overset{+2}{Zn}\overset{+6}{S}O_4 + H_2\overset{-2}{S} + H_2O $

2. Выпишем элементы, которые изменили свою степень окисления, и составим полуреакции окисления и восстановления.

Атом цинка ($Zn$) повышает свою степень окисления с 0 до +2, то есть он отдает 2 электрона. Это процесс окисления. Цинк является восстановителем.
$ \overset{0}{Zn} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{Zn} $

Атом серы ($S$) в составе серной кислоты понижает свою степень окисления с +6 до -2, то есть он принимает 8 электронов. Это процесс восстановления. Серная кислота (за счет серы $S^{+6}$) является окислителем.
$ \overset{+6}{S} + 8e^- \rightarrow \overset{-2}{S} $

3. Составим электронный баланс, чтобы найти коэффициенты. Число отданных электронов должно быть равно числу принятых. Наименьшее общее кратное для чисел 2 и 8 равно 8.

$ \begin{array}{c|c|l} \overset{0}{Zn} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{Zn} & 4 & \text{окисление, восстановитель} \\ \overset{+6}{S} + 8e^- \rightarrow \overset{-2}{S} & 1 & \text{восстановление, окислитель} \end{array} $

4. Расставим полученные коэффициенты в уравнении реакции. Коэффициент 4 ставим перед веществами, содержащими цинк ($Zn$ и $ZnSO_4$), а коэффициент 1 (обычно не пишется) — перед веществом, содержащим серу в степени окисления -2 ($H_2S$).
$ 4Zn + H_2SO_4 \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S + H_2O $

5. Уравняем остальные элементы.
- Сера (S): Справа 4 атома в $4ZnSO_4$ и 1 атом в $H_2S$, всего 5 атомов. Значит, слева перед $H_2SO_4$ ставим коэффициент 5.
$ 4Zn + 5H_2SO_4 \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S + H_2O $
- Водород (H): Слева $5 \times 2 = 10$ атомов. Справа 2 атома в $H_2S$. Оставшиеся $10 - 2 = 8$ атомов должны быть в воде. Ставим коэффициент 4 перед $H_2O$ ($4 \times 2 = 8$).
$ 4Zn + 5H_2SO_4 \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S + 4H_2O $
- Кислород (O) (для проверки): Слева $5 \times 4 = 20$ атомов. Справа $4 \times 4 + 4 \times 1 = 16 + 4 = 20$ атомов. Баланс верный.

Окончательное уравнение с коэффициентами:
$ 4Zn + 5H_2SO_4(конц) = 4ZnSO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O $

Ответ: $4Zn + 5H_2SO_4(конц) = 4ZnSO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O$.

Какое вещество проявляет в этой реакции восстановительные свойства?

Решение

Восстановитель — это химическое вещество, которое в ходе окислительно-восстановительной реакции отдает электроны, при этом само окисляясь (повышая свою степень окисления). В данной реакции цинк ($Zn$) отдает электроны, его степень окисления повышается с $0$ до $+2$. Следовательно, цинк является восстановителем.

Ответ: восстановительные свойства проявляет простое вещество цинк ($Zn$).