Страница 21 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 8

В одну пробирку налейте 2–3 мл соляной кислоты, в другую — 2–3 мл раствора уксусной кислоты такой же концентрации. В каждую из пробирок опустите по одной грануле цинка. В какой из пробирок образование пузырьков газа интенсивнее? Почему?

Соляная кислота относится к сильным кислотам, скорость её взаимодействия с цинком относительно высокая:

$ \text{Zn} + 2\text{HCl} = \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow $

Уксусная кислота относится к слабым кислотам, и с металлическим цинком она реагирует медленнее:

$ \text{Zn} + 2\text{CH}_3\text{COOH} = (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Zn} + \text{H}_2\uparrow $

Дано:

Пробирка 1: Раствор соляной кислоты ($HCl$).
Пробирка 2: Раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$).
Концентрация растворов кислот одинакова: $C(HCl) = C(CH_3COOH)$.
В каждую пробирку помещена гранула цинка ($Zn$).

Найти:

В какой из пробирок образование пузырьков газа будет интенсивнее и почему?

Решение:

Скорость химической реакции взаимодействия металла с кислотой зависит от нескольких факторов, одним из которых является сила кислоты, то есть ее способность диссоциировать (распадаться) на ионы в водном растворе. В данном опыте выделяющийся газ — это водород ($H_2$), который образуется в результате реакции цинка с ионами водорода ($H^+$), присутствующими в растворах кислот.

Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой. Это означает, что в водном растворе она практически полностью диссоциирует на ионы водорода ($H^+$) и хлорид-ионы ($Cl^-$): $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$ Благодаря полной диссоциации, в растворе соляной кислоты создается высокая концентрация ионов водорода.

Уксусная кислота ($CH_3COOH$) является слабой кислотой. Это означает, что она диссоциирует в воде лишь частично и обратимо. В растворе устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами кислоты и ионами: $CH_3COOH \leftrightarrows H^+ + CH_3COO^-$ Из-за частичной диссоциации концентрация ионов водорода в растворе уксусной кислоты значительно ниже, чем в растворе соляной кислоты той же молярной концентрации.

Реакция цинка с кислотами описывается следующими уравнениями:
1. С соляной кислотой: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
2. С уксусной кислотой: $Zn + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Zn + H_2\uparrow$

В ионном виде ключевой процесс для обеих реакций — это взаимодействие цинка с ионами водорода: $Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2\uparrow$

Поскольку скорость реакции прямо зависит от концентрации реагирующих веществ (в данном случае, ионов $H^+$), реакция будет протекать гораздо быстрее там, где концентрация ионов водорода выше. Следовательно, в пробирке с соляной кислотой реакция будет идти значительно интенсивнее, что проявится в более бурном выделении пузырьков водорода.

Ответ: Образование пузырьков газа интенсивнее в пробирке с соляной кислотой. Это происходит потому, что соляная кислота является сильной кислотой и при той же общей концентрации, что и у слабой уксусной кислоты, создает в растворе гораздо большую концентрацию ионов водорода ($H^+$), которые и вступают в реакцию с цинком.

Лабораторный опыт 9

В пробирку налейте 5 мл 5%-ного раствора серной кислоты и опустите стальную кнопку. Что наблюдаете?

Нагревайте содержимое пробирки на пламени спиртовки. Что наблюдаете? Как изменилась скорость реакции?

Решение

В пробирку налейте 5 мл 5%-ного раствора серной кислоты и опустите стальную кнопку. Что наблюдаете?

Стальная кнопка, основной компонент которой — железо ($Fe$), вступает в реакцию с разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$). Железо, как металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, вытесняет его из раствора кислоты. Эта реакция относится к типу замещения. В результате на поверхности кнопки можно наблюдать образование пузырьков газа. Этот бесцветный газ без запаха — водород ($H_2$). Реакция при комнатной температуре протекает с умеренной скоростью. Уравнение химической реакции выглядит следующим образом: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$. Ответ: на поверхности стальной кнопки наблюдается медленное выделение пузырьков газа (водорода).

Нагревайте содержимое пробирки на пламени спиртовки. Что наблюдаете? Как изменилась скорость реакции?

При нагревании содержимого пробирки увеличивается кинетическая энергия реагирующих частиц. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10 градусов Цельсия увеличивает скорость большинства химических реакций в 2–4 раза. Вследствие этого столкновения между атомами железа и ионами в растворе кислоты становятся более частыми и энергичными, что приводит к значительному ускорению реакции. Визуально это проявляется в том, что выделение пузырьков водорода становится гораздо более интенсивным, бурным. Ответ: при нагревании наблюдается бурное выделение газа; скорость реакции значительно увеличилась.

Лабораторный опыт 10

В три пробирки налейте соответственно 1 мл, 3 мл и 5 мл раствора тиосульфата натрия. В первую пробирку добавьте 4 мл воды, во вторую — 2 мл. Во всех трёх пробирках объём растворов одинаков — 5 мл. В какой из пробирок концентрация тиосульфата натрия максимальна, в какой — минимальна? В каждую пробирку до-бавьте по 2 мл соляной кислоты. Что наблюдаете?

В какой из пробирок концентрация тиосульфата натрия максимальна, в какой — минимальна?

Дано:

Перевод в СИ:

Найти:

Пробирку с максимальной концентрацией ($C_{max}$) и пробирку с минимальной концентрацией ($C_{min}$) тиосульфата натрия.

Решение:

Концентрация вещества в растворе ($C$) определяется как отношение количества растворенного вещества ($n$) к общему объему раствора ($V_{общ}$). В данном случае, концентрация будет пропорциональна объемной доле исходного раствора тиосульфата.

$C \propto \frac{V_{р-ра}}{V_{общ}}$

Поскольку общий объем раствора $V_{общ}$ во всех трех пробирках одинаков (5 мл), конечная концентрация тиосульфата натрия будет прямо пропорциональна объему исходного раствора ($V_{р-ра}$), добавленного в каждую пробирку.

$C \propto V_{р-ра}$

Сравним объемы добавленного раствора тиосульфата натрия в каждой пробирке:

Пробирка 1: $V_1 = 1$ мл

Пробирка 2: $V_2 = 3$ мл

Пробирка 3: $V_3 = 5$ мл

Так как $V_1 < V_2 < V_3$ (то есть $1 \text{ мл} < 3 \text{ мл} < 5 \text{ мл}$), то и концентрации растворов в пробирках соотносятся аналогичным образом: $C_1 < C_2 < C_3$.

Следовательно, минимальная концентрация тиосульфата натрия находится в пробирке 1, а максимальная — в пробирке 3.

Ответ: Максимальная концентрация тиосульфата натрия в пробирке №3 (куда было налито 5 мл исходного раствора), а минимальная — в пробирке №1 (куда был налит 1 мл исходного раствора).

Что наблюдаете?

Дано:

Перевод в СИ:

Найти:

Наблюдаемые явления в каждой пробирке.

Решение:

При добавлении соляной кислоты ($HCl$) к раствору тиосульфата натрия ($Na_2S_2O_3$) протекает химическая реакция, описываемая следующим уравнением:

$Na_2S_2O_3(aq) + 2HCl(aq) \rightarrow 2NaCl(aq) + S(s)\downarrow + SO_2(g)\uparrow + H_2O(l)$

В результате реакции образуются два продукта, которые позволяют визуально и по запаху оценить происходящие изменения:

1. Сера ($S$) — твердое вещество желтого цвета, нерастворимое в воде. Ее выпадение в виде осадка вызывает помутнение раствора (появление опалесценции).
2. Сернистый газ ($SO_2$) — бесцветный газ с характерным резким запахом (напоминает запах сгоревшей спички).

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. В данном опыте скорость образования серы и сернистого газа будет тем выше, чем выше концентрация тиосульфата натрия в пробирке (при условии, что концентрация добавляемой кислоты одинакова).

Поскольку концентрации в пробирках соотносятся как $C_1 < C_2 < C_3$, скорость реакции будет минимальной в пробирке №1 и максимальной в пробирке №3. Это приведет к следующим наблюдениям:

• В пробирке №3 (максимальная концентрация): помутнение раствора произойдет быстрее всего, практически мгновенно.
• В пробирке №2 (средняя концентрация): помутнение появится через небольшой промежуток времени, медленнее, чем в пробирке №3.
• В пробирке №1 (минимальная концентрация): для появления помутнения потребуется больше всего времени.

Во всех трех пробирках также будет выделяться газ с резким запахом.

Ответ: При добавлении соляной кислоты во всех трех пробирках наблюдается помутнение раствора из-за выпадения осадка серы и ощущается резкий запах выделяющегося газа ($SO_2$). Скорость появления помутнения обратно пропорциональна номеру пробирки: в пробирке №3 помутнение наступает быстрее всего, в пробирке №2 — медленнее, а в пробирке №1 — медленнее всего.