Страница 19 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

6. Напишите уравнения следующих химических реакций:

а) оксида кальция с водой;

б) железа с раствором серной кислоты;

в) раствора нитрата серебра с раствором хлорида магния.

Определите тип каждой реакции по числу и составу реагентов и продуктов.

а) оксида кальция с водой;
При взаимодействии основного оксида кальция ($CaO$) с водой ($H_2O$) образуется соответствующее ему основание — гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$).
Уравнение химической реакции:
$CaO + H_2O = Ca(OH)_2$
По числу и составу реагентов и продуктов данная реакция является реакцией соединения. В реакцию вступают два вещества, а в результате образуется одно более сложное вещество.
Ответ: $CaO + H_2O = Ca(OH)_2$, реакция соединения.

б) железа с раствором серной кислоты;
Железо ($Fe$) — металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений до водорода, поэтому оно вытесняет водород из разбавленной серной кислоты ($H_2SO_4$). В результате реакции образуется соль — сульфат железа(II) ($FeSO_4$) — и выделяется газообразный водород ($H_2$).
Уравнение химической реакции:
$Fe + H_2SO_4 = FeSO_4 + H_2 \uparrow$
Эта реакция является реакцией замещения, так как атомы простого вещества (железа) замещают атомы одного из элементов (водорода) в сложном веществе (серной кислоте). В результате образуется новое сложное и новое простое вещество.
Ответ: $Fe + H_2SO_4 = FeSO_4 + H_2 \uparrow$, реакция замещения.

в) раствора нитрата серебра с раствором хлорида магния.
Реакция между двумя солями — нитратом серебра ($AgNO_3$) и хлоридом магния ($MgCl_2$) — является реакцией ионного обмена. Она протекает, так как в результате образуется нерастворимое в воде вещество (осадок) — хлорид серебра ($AgCl$). Вторым продуктом является растворимая соль — нитрат магния ($Mg(NO_3)_2$).
Уравнение химической реакции (с расставленными коэффициентами):
$2AgNO_3 + MgCl_2 = 2AgCl \downarrow + Mg(NO_3)_2$
Данная реакция относится к реакциям обмена. В ходе реакции два сложных вещества (две соли) обмениваются своими составными частями (ионами), в результате чего образуются два новых сложных вещества.
Ответ: $2AgNO_3 + MgCl_2 = 2AgCl \downarrow + Mg(NO_3)_2$, реакция обмена.

7. Разложение карбоната бария представляет собой эндотермический процесс, требующий затрат 267 кДж теплоты на разложение 1 моль соли. Запишите термохимическое уравнение реакции разложения карбоната бария. Напишите уравнение обратной реакции. Как вы думаете, каков её тепловой эффект?

Дано:

Реакция: разложение карбоната бария ($BaCO_3$).
Тип процесса: эндотермический.
Количество теплоты, поглощаемое при разложении 1 моль $BaCO_3$: $Q = 267 \text{ кДж}$.

Найти:

1. Термохимическое уравнение реакции разложения карбоната бария.
2. Уравнение обратной реакции.
3. Тепловой эффект обратной реакции ($\Delta H_{обр}$).

Решение:

Запишите термохимическое уравнение реакции разложения карбоната бария.

Разложение карбоната бария ($BaCO_3$) при нагревании приводит к образованию оксида бария ($BaO$) и углекислого газа ($CO_2$). Сначала запишем уравнение химической реакции, указав агрегатные состояния веществ (тв - твердое, г - газообразное):
$BaCO_{3(тв)} \rightarrow BaO_{(тв)} + CO_{2(г)}$
В условии сказано, что реакция является эндотермической, то есть протекает с поглощением теплоты. На разложение 1 моль соли требуется 267 кДж теплоты. В термохимических уравнениях поглощение теплоты соответствует положительному значению изменения энтальпии ($\Delta H$). Таким образом, $\Delta H = +267 \text{ кДж}$.
Теперь мы можем записать полное термохимическое уравнение.

Ответ: $BaCO_{3(тв)} = BaO_{(тв)} + CO_{2(г)}; \Delta H = +267 \text{ кДж}$.

Напишите уравнение обратной реакции.

Обратная реакция — это процесс, в котором продукты прямой реакции (оксид бария и углекислый газ) взаимодействуют, образуя исходное вещество прямой реакции (карбонат бария).

Ответ: $BaO_{(тв)} + CO_{2(г)} = BaCO_{3(тв)}$.

Как вы думаете, каков её тепловой эффект?

Согласно закону Лавуазье-Лапласа, тепловой эффект обратной реакции равен по абсолютной величине и противоположен по знаку тепловому эффекту прямой реакции.
Так как прямая реакция (разложение) является эндотермической ($\Delta H = +267 \text{ кДж}$), то обратная реакция (синтез) будет экзотермической, то есть будет протекать с выделением тепла.
Тепловой эффект обратной реакции будет иметь отрицательное значение:
$\Delta H_{обр} = - \Delta H_{пр} = -(+267 \text{ кДж}) = -267 \text{ кДж}$.

Ответ: Тепловой эффект обратной реакции составляет $-267 \text{ кДж}$. Это экзотермическая реакция, в ходе которой при образовании 1 моль карбоната бария выделяется 267 кДж теплоты.

8. По термохимическому уравнению реакции горения углерода

$C(\text{тв.}) + O_{2}(\text{г.}) = CO_{2}(\text{г.}) + 410 \text{ кДж}$

рассчитайте:

a) количество теплоты, которое выделится при сгорании 54 г углерода;

б) объём кислорода, израсходованный в реакции горения, если в результате выделилось 2050 кДж теплоты.

Дано:

Термохимическое уравнение: $C_{(\text{тв.})} + O_{2(\text{г.})} = CO_{2(\text{г.})} + 410 \text{ кДж}$

Для пункта а):
Масса углерода: $m(C) = 54 \text{ г}$

Для пункта б):
Количество выделившейся теплоты: $Q = 2050 \text{ кДж}$

Постоянные величины:
Молярная масса углерода: $M(C) = 12 \text{ г/моль}$
Молярный объем газа (при н.у.): $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

Найти:

а) Количество теплоты $Q_1$ — ?
б) Объем кислорода $V(O_2)$ — ?

Решение:

Из термохимического уравнения следует, что при сгорании 1 моль углерода (C) выделяется 410 кДж теплоты и расходуется 1 моль кислорода ($O_2$).

а) количество теплоты, которое выделится при сгорании 54 г углерода;

1. Найдем количество вещества (число моль) углерода массой 54 г по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(C) = \frac{54 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} = 4,5 \text{ моль}$

2. Составим пропорцию, чтобы найти количество теплоты ($Q_1$), которое выделится при сгорании 4,5 моль углерода:

При сгорании 1 моль C — выделяется 410 кДж теплоты

При сгорании 4,5 моль C — выделяется $Q_1$ кДж теплоты

$Q_1 = \frac{4,5 \text{ моль} \times 410 \text{ кДж}}{1 \text{ моль}} = 1845 \text{ кДж}$

Ответ: при сгорании 54 г углерода выделится 1845 кДж теплоты.

б) объём кислорода, израсходованный в реакции горения, если в результате выделилось 2050 кДж теплоты.

1. Составим пропорцию, чтобы найти количество вещества ($n(O_2)$) кислорода, которое прореагировало, если выделилось 2050 кДж теплоты:

При расходе 1 моль $O_2$ — выделяется 410 кДж теплоты

При расходе $n(O_2)$ моль $O_2$ — выделяется 2050 кДж теплоты

$n(O_2) = \frac{1 \text{ моль} \times 2050 \text{ кДж}}{410 \text{ кДж}} = 5 \text{ моль}$

2. Найдем объем кислорода, который занимает 5 моль газа при нормальных условиях (н.у.), используя формулу $V = n \times V_m$:

$V(O_2) = 5 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 112 \text{ л}$

Ответ: объем израсходованного кислорода составляет 112 л.

9. Закончите уравнения следующих химических реакций:

а) $H_2 + Cl_2 \rightarrow ...$

б) $MgO + H_2SO_4 \rightarrow ...$

в) $Al + CuCl_2 \rightarrow ...$

г) $BaCl_2 + ZnSO_4 \rightarrow ...$

Укажите гетерогенные и гомогенные реакции, а также окислительно-восстановительные реакции. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

а) $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

Реакция является гомогенной, так как все реагенты и продукты находятся в одной фазе (газообразной).

Реакция является окислительно-восстановительной, так как происходит изменение степеней окисления элементов.

$H_2^0 + Cl_2^0 \rightarrow 2H^{+1}Cl^{-1}$

$H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ (процесс окисления). Водород ($H_2$) является восстановителем.

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ (процесс восстановления). Хлор ($Cl_2$) является окислителем.

Ответ: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$; реакция гомогенная, окислительно-восстановительная; окислитель – $Cl_2$, восстановитель – $H_2$.

б) $MgO + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O$

Реакция является гетерогенной, так как реагенты находятся в разных фазах: оксид магния (MgO) – твердое вещество, серная кислота ($H_2SO_4$) – раствор (жидкость).

Реакция не является окислительно-восстановительной, так как степени окисления всех элементов остаются неизменными. Это реакция ионного обмена (нейтрализация).

$Mg^{+2}O^{-2} + H_2^{+1}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Mg^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + H_2^{+1}O^{-2}$

Ответ: $MgO + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O$; реакция гетерогенная, не является окислительно-восстановительной.

в) $2Al + 3CuCl_2 \rightarrow 2AlCl_3 + 3Cu$

Реакция является гетерогенной, так как реагенты и продукты находятся в разных фазах: алюминий (Al) и медь (Cu) – твердые вещества, хлорид меди(II) ($CuCl_2$) и хлорид алюминия ($AlCl_3$) – растворы (жидкость).

Реакция является окислительно-восстановительной, так как происходит изменение степеней окисления алюминия и меди.

$2Al^0 + 3Cu^{+2}Cl_2^{-1} \rightarrow 2Al^{+3}Cl_3^{-1} + 3Cu^0$

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ (процесс окисления). Алюминий (Al) является восстановителем.

$Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$ (процесс восстановления). Ион меди ($Cu^{+2}$), входящий в состав $CuCl_2$, является окислителем.

Ответ: $2Al + 3CuCl_2 \rightarrow 2AlCl_3 + 3Cu$; реакция гетерогенная, окислительно-восстановительная; окислитель – $CuCl_2$ (за счет $Cu^{+2}$), восстановитель – Al.

г) $BaCl_2 + ZnSO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + ZnCl_2$

Реакция является гетерогенной, так как в результате взаимодействия двух растворов образуется нерастворимое вещество (осадок) – сульфат бария ($BaSO_4$), то есть система становится многофазной.

Реакция не является окислительно-восстановительной, так как степени окисления всех элементов остаются неизменными. Это реакция ионного обмена.

$Ba^{+2}Cl_2^{-1} + Zn^{+2}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Ba^{+2}S^{+6}O_4^{-2} \downarrow + Zn^{+2}Cl_2^{-1}$

Ответ: $BaCl_2 + ZnSO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + ZnCl_2$; реакция гетерогенная, не является окислительно-восстановительной.

10. Тепловые эффекты реакций нейтрализации между соляной кислотой и гидроксидом натрия, серной кислотой и гидроксидом калия, азотной кислотой и гидроксидом лития примерно одинаковы. Как вы думаете, почему? Для ответа на вопрос используйте Интернет.

Тепловые эффекты реакций нейтрализации между сильными кислотами и сильными основаниями, такими как указанные в задаче, действительно примерно одинаковы. Это объясняется тем, что суть процесса нейтрализации в водных растворах для всех этих реакций сводится к одному и тому же химическому превращению.

Все упомянутые реагенты — соляная кислота ($HCl$), серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), гидроксид натрия ($NaOH$), гидроксид калия ($KOH$) и гидроксид лития ($LiOH$) — являются сильными электролитами. Это означает, что в разбавленных водных растворах они практически полностью диссоциируют (распадаются) на ионы.

• $HCl \rightarrow H⁺ + Cl⁻$
• $H_2SO_4 \rightarrow 2H⁺ + SO_4^{2-}$
• $HNO_3 \rightarrow H⁺ + NO_3⁻$
• $NaOH \rightarrow Na⁺ + OH⁻$
• $KOH \rightarrow K⁺ + OH⁻$
• $LiOH \rightarrow Li⁺ + OH⁻$

Рассмотрим, что происходит во время реакции нейтрализации на ионном уровне. Для примера возьмем реакцию соляной кислоты и гидроксида натрия.

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

Полное ионное уравнение, учитывающее диссоциацию веществ в растворе:
$H⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ \rightarrow Na⁺ + Cl⁻ + H_2O$

В этом уравнении ионы $Na⁺$ и $Cl⁻$ присутствуют и в левой, и в правой части, то есть они не участвуют в химическом превращении. Это так называемые ионы-наблюдатели. Если их сократить, мы получим сокращенное ионное уравнение, которое и отражает суть реакции:
$H⁺(aq) + OH⁻(aq) \rightarrow H_2O(l)$

Если проделать то же самое для других пар (например, азотной кислоты и гидроксида лития), результат будет тем же:

Полное ионное уравнение: $H⁺ + NO_3⁻ + Li⁺ + OH⁻ \rightarrow Li⁺ + NO_3⁻ + H_2O$
Сокращенное ионное уравнение: $H⁺(aq) + OH⁻(aq) \rightarrow H_2O(l)$

Таким образом, химическая суть любой реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием заключается во взаимодействии ионов водорода $H⁺$ и гидроксид-ионов $OH⁻$ с образованием молекулы воды $H_2O$.

Тепловой эффект (энтальпия реакции, $\Delta H$) — это количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе реакции. Поскольку во всех перечисленных случаях происходит один и тот же основной процесс образования воды из ионов, то и количество выделяемой теплоты, рассчитанное на 1 моль образовавшихся молекул воды, будет примерно одинаковым. Эта величина называется стандартной энтальпией нейтрализации и составляет около $-57,3$ кДж/моль.

Небольшие отклонения от этого значения связаны со вторичными эффектами, такими как разная энергия гидратации ионов-наблюдателей ($Na⁺, K⁺, Li⁺, Cl⁻, SO_4^{2-}, NO_3⁻$) и теплота разбавления исходных растворов.

Ответ: Тепловые эффекты реакций нейтрализации между указанными сильными кислотами и сильными основаниями примерно одинаковы, потому что в водных растворах все эти реакции сводятся к одному и тому же процессу — взаимодействию ионов водорода $H⁺$ и гидроксид-ионов $OH⁻$ с образованием молекул воды $H₂O$. Сокращенное ионное уравнение для всех этих реакций одинаково: $H⁺ + OH⁻ \rightarrow H₂O$. Так как химическая суть процесса одна и та же, количество выделяемой теплоты на 1 моль образовавшейся воды также практически постоянно.

Отношение изменения какой-либо величины ко времени, за которое про-изошло это изменение, называют скоростью. Какие величины используют для расчёта скорости химической реакции?

Согласно определению, приведенному в вопросе, скорость – это отношение изменения некоторой величины ко времени, за которое это изменение произошло. В химической кинетике, которая изучает скорости химических реакций, такой основной величиной является концентрация реагирующих веществ или продуктов реакции.

Скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени.

Для гомогенных реакций (протекающих в однородной среде, например, в растворе или газовой фазе), где объем системы постоянен, скорость реакции ($v$) рассчитывается как изменение молярной концентрации ($c$) вещества за промежуток времени ($\Delta t$). Математически это выражается формулой:

$v = \pm \frac{\Delta c}{\Delta t} = \pm \frac{c_{2} - c_{1}}{t_{2} - t_{1}}$

где $\Delta c$ – изменение молярной концентрации вещества (в моль/л), а $\Delta t$ – промежуток времени, за который произошло это изменение (в с).

Знак «минус» используется при расчете скорости по изменению концентрации исходного вещества (реагента), так как его концентрация в ходе реакции уменьшается ($c_{2} < c_{1}$), а скорость реакции по определению является величиной положительной. Знак «плюс» (который обычно опускается) используется при расчете скорости по изменению концентрации продукта реакции, так как его концентрация со временем растет ($c_{2} > c_{1}$).

Для гетерогенных реакций (протекающих на границе раздела фаз, например, твердое вещество и газ), где понятие концентрации для твердой фазы не применимо, скорость определяют как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности раздела фаз ($S$).

Таким образом, для расчета скорости химической реакции в первую очередь используют изменение концентрации веществ. Также могут использоваться и другие величины, изменение которых можно легко измерить и связать с изменением концентрации, например: давление (для реакций с участием газов), объем (если в ходе реакции выделяется или поглощается газ), масса (для реакций с участием твердых веществ), а также оптическая плотность, электропроводность и другие физические свойства системы.

Ответ: Для расчета скорости химической реакции используют изменение концентрации одного из реагентов или продуктов реакции за определенный промежуток времени. Также могут использоваться величины, связанные с концентрацией, такие как давление или объем газа, масса твердого вещества и другие физические свойства системы.

Лабораторный опыт 6

В две пробирки налейте по 2–3 мл раствора тиосульфата натрия. В первую пробирку добавьте несколько капель раствора хлорида бария, во вторую — несколько капель соляной кислоты. Что наблюдаете? В чём различие процессов, происходящих в обеих пробирках?

Что наблюдаете?

В первой пробирке при добавлении раствора хлорида бария ($BaCl_2$) к раствору тиосульфата натрия ($Na_2S_2O_3$) наблюдается образование белого творожистого осадка тиосульфата бария ($BaS_2O_3$). Уравнение этой реакции ионного обмена: $Na_2S_2O_3 + BaCl_2 \rightarrow BaS_2O_3 \downarrow + 2NaCl$.

Во второй пробирке при добавлении соляной кислоты ($HCl$) к раствору тиосульфата натрия наблюдается постепенное помутнение раствора (появление опалесценции) из-за образования мелкодисперсной серы ($S$) и выделение бесцветного газа с резким запахом — диоксида серы ($SO_2$). Уравнение этой реакции: $Na_2S_2O_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + SO_2 \uparrow + S \downarrow$.

Ответ: В первой пробирке наблюдается выпадение белого осадка. Во второй пробирке происходит помутнение раствора и выделение газа с резким запахом.

В чём различие процессов, происходящих в обеих пробирках?

Различие заключается в типе протекающих химических реакций. В первой пробирке происходит реакция ионного обмена между двумя солями. В ходе этой реакции не происходит изменения степеней окисления атомов, а лишь образуется новое нерастворимое вещество — соль тиосульфат бария.
Во второй пробирке протекает окислительно-восстановительная реакция. Тиосульфат-ион ($S_2O_3^{2-}$) в кислой среде неустойчив и диспропорционирует. В этом ионе два атома серы имеют разные степени окисления: -2 и +6. В ходе реакции атом серы со степенью окисления -2 окисляется до 0 (образуя простую серу $S^0$), а атом серы со степенью окисления +6 восстанавливается до +4 (образуя диоксид серы $S^{+4}O_2$). Таким образом, это сложный внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс.

Ответ: В первой пробирке протекает реакция ионного обмена, которая не является окислительно-восстановительной. Во второй пробирке протекает окислительно-восстановительная реакция (диспропорционирование), в ходе которой изменяются степени окисления атомов серы.