Страница 41 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Запишите аналогичные уравнения для растворимых солей стронция и свинца.

Поскольку в задании не указан контекст, то есть не даны исходные уравнения, по аналогии с которыми нужно составить новые, приведем несколько наиболее типичных реакций для растворимых солей: диссоциация в водном растворе и реакции ионного обмена с образованием осадка.

Растворимые соли стронция

В качестве примера растворимой соли стронция возьмем нитрат стронция $Sr(NO_3)_2$.

1. Уравнение электролитической диссоциации в воде:

При растворении в воде нитрат стронция диссоциирует на ионы – катион стронция и нитрат-анионы.

$Sr(NO_3)_2 \rightarrow Sr^{2+} + 2NO_3^-$

2. Уравнения реакции ионного обмена с сульфатом натрия $Na_2SO_4$:

При взаимодействии растворов нитрата стронция и сульфата натрия образуется белый осадок сульфата стронция $SrSO_4$.

• Молекулярное уравнение:

  $Sr(NO_3)_2 + Na_2SO_4 \rightarrow SrSO_4 \downarrow + 2NaNO_3$

• Полное ионное уравнение:

  $Sr^{2+} + 2NO_3^- + 2Na^+ + SO_4^{2-} \rightarrow SrSO_4 \downarrow + 2Na^+ + 2NO_3^-$

• Сокращенное ионное уравнение:

  $Sr^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow SrSO_4 \downarrow$

Ответ: Для растворимой соли стронция $Sr(NO_3)_2$ уравнение диссоциации: $Sr(NO_3)_2 \rightarrow Sr^{2+} + 2NO_3^-$. Сокращенное ионное уравнение реакции с сульфат-ионами: $Sr^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow SrSO_4 \downarrow$.

Растворимые соли свинца

В качестве примера растворимой соли свинца возьмем нитрат свинца(II) $Pb(NO_3)_2$.

1. Уравнение электролитической диссоциации в воде:

При растворении в воде нитрат свинца(II) диссоциирует на катион свинца(II) и нитрат-анионы.

$Pb(NO_3)_2 \rightarrow Pb^{2+} + 2NO_3^-$

2. Уравнения реакции ионного обмена с хлоридом натрия $NaCl$:

При взаимодействии растворов нитрата свинца(II) и хлорида натрия образуется белый творожистый осадок хлорида свинца(II) $PbCl_2$.

• Молекулярное уравнение:

  $Pb(NO_3)_2 + 2NaCl \rightarrow PbCl_2 \downarrow + 2NaNO_3$

• Полное ионное уравнение:

  $Pb^{2+} + 2NO_3^- + 2Na^+ + 2Cl^- \rightarrow PbCl_2 \downarrow + 2Na^+ + 2NO_3^-$

• Сокращенное ионное уравнение:

  $Pb^{2+} + 2Cl^- \rightarrow PbCl_2 \downarrow$

3. Уравнения реакции ионного обмена с сульфатом натрия $Na_2SO_4$:

При взаимодействии с сульфатами свинец также образует белый осадок сульфата свинца(II) $PbSO_4$.

• Молекулярное уравнение:

  $Pb(NO_3)_2 + Na_2SO_4 \rightarrow PbSO_4 \downarrow + 2NaNO_3$

• Сокращенное ионное уравнение:

  $Pb^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 \downarrow$

Ответ: Для растворимой соли свинца $Pb(NO_3)_2$ уравнение диссоциации: $Pb(NO_3)_2 \rightarrow Pb^{2+} + 2NO_3^-$. Сокращенные ионные уравнения характерных реакций: $Pb^{2+} + 2Cl^- \rightarrow PbCl_2 \downarrow$ и $Pb^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 \downarrow$.

1. Какие электролиты называют кислотами? Какие признаки лежат в основе их классификации? Приведите примеры кислот каждого типа. Охарактеризуйте серную и фосфорную кислоты по всем указанным вами признакам.

Какие электролиты называют кислотами?

С точки зрения теории электролитической диссоциации, кислотами называют сложные вещества, являющиеся электролитами, которые при диссоциации в водных растворах образуют в качестве катионов только ионы водорода $H^+$ и анионы кислотного остатка.

Общий процесс диссоциации кислоты можно представить следующей схемой: $H_nAn \rightleftharpoons nH^+ + An^{n-}$ , где $H$ – атом водорода, $An$ – кислотный остаток, а $n$ – основность кислоты (число атомов водорода).

Например, диссоциация соляной кислоты: $HCl \rightleftharpoons H^+ + Cl^-$.

Ответ: Кислоты – это электролиты, которые при диссоциации в воде образуют катионы водорода $H^+$ и анионы кислотного остатка.

Какие признаки лежат в основе их классификации? Приведите примеры кислот каждого типа.

Классификация кислот осуществляется по нескольким основным признакам:

1. По содержанию кислорода в молекуле:

- Кислородсодержащие (оксикислоты): в их состав входит кислород. Примеры: серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), фосфорная кислота ($H_3PO_4$).

- Бескислородные: не содержат атомов кислорода. Примеры: соляная кислота ($HCl$), сероводородная кислота ($H_2S$), бромоводородная кислота ($HBr$).

2. По основности (по количеству атомов водорода, способных замещаться на металл):

- Одноосновные: содержат один атом водорода. Примеры: соляная кислота ($HCl$), азотная кислота ($HNO_3$).

- Двухосновные: содержат два атома водорода. Примеры: серная кислота ($H_2SO_4$), угольная кислота ($H_2CO_3$).

- Трехосновные: содержат три атома водорода. Пример: фосфорная кислота ($H_3PO_4$).

3. По силе (по степени электролитической диссоциации $\alpha$ в водном растворе):

- Сильные (практически полностью диссоциируют на ионы, $\alpha \rightarrow 1$): серная ($H_2SO_4$), соляная ($HCl$), азотная ($HNO_3$).

- Слабые (диссоциируют незначительно и обратимо, $\alpha \ll 1$): угольная ($H_2CO_3$), сероводородная ($H_2S$), кремниевая ($H_2SiO_3$), фосфорная ($H_3PO_4$ – считается кислотой средней силы, но в школьном курсе часто относится к слабым).

4. По летучести:

- Летучие (имеют относительно низкую температуру кипения): азотная ($HNO_3$), соляная ($HCl$), сероводородная ($H_2S$).

- Нелетучие (имеют высокую температуру кипения): серная ($H_2SO_4$), фосфорная ($H_3PO_4$).

5. По растворимости в воде:

- Растворимые: большинство кислот. Примеры: серная ($H_2SO_4$), соляная ($HCl$), азотная ($HNO_3$).

- Нерастворимые: кремниевая кислота ($H_2SiO_3$).

6. По стабильности (устойчивости к разложению):

- Стабильные: серная ($H_2SO_4$), фосфорная ($H_3PO_4$), соляная ($HCl$).

- Нестабильные (легко разлагаются при обычных условиях или нагревании): угольная ($H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$), сернистая ($H_2SO_3 \rightarrow H_2O + SO_2$).

Ответ: Кислоты классифицируют по содержанию кислорода, основности, силе, летучести, растворимости и стабильности. Примеры приведены для каждого типа.

Охарактеризуйте серную и фосфорную кислоты по всем указанным вами признакам.

Характеристика серной кислоты ($H_2SO_4$):

- По содержанию кислорода: кислородсодержащая.

- По основности: двухосновная.

- По силе: сильная.

- По летучести: нелетучая.

- По растворимости: растворимая.

- По стабильности: стабильная.

Характеристика фосфорной (ортофосфорной) кислоты ($H_3PO_4$):

- По содержанию кислорода: кислородсодержащая.

- По основности: трехосновная.

- По силе: слабая (относится к кислотам средней силы).

- По летучести: нелетучая.

- По растворимости: растворимая.

- По стабильности: стабильная.

Ответ: Серная кислота ($H_2SO_4$) – кислородсодержащая, двухосновная, сильная, нелетучая, растворимая, стабильная. Фосфорная кислота ($H_3PO_4$) – кислородсодержащая, трехосновная, слабая (средней силы), нелетучая, растворимая, стабильная.

2. Назовите общие химические свойства кислот. Перечислите условия протекания реакций между растворами кислот и металлами.

Назовите общие химические свойства кислот.

Общие химические свойства кислот обусловлены наличием в их водных растворах катионов водорода $H^+$, которые образуются в результате электролитической диссоциации.

• Изменение окраски индикаторов: кислоты изменяют цвет индикаторов. Лакмус становится красным, метиловый оранжевый — розовым, а фенолфталеин остается бесцветным.

• Взаимодействие с металлами: кислоты (кроме кислот-окислителей) реагируют с металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Продуктами реакции являются соль и водород.

  Пример: $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

• Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами: при реакции кислоты с основным или амфотерным оксидом образуются соль и вода.

  Пример с основным оксидом: $CaO + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$

  Пример с амфотерным оксидом: $Al_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O$

• Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации): кислоты реагируют как с растворимыми основаниями (щелочами), так и с нерастворимыми, образуя соль и воду.

  Пример со щелочью: $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

  Пример с нерастворимым основанием: $Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

• Взаимодействие с солями: реакция возможна, если образуется осадок, выделяется газ или получается более слабая кислота (или вода). Вступающая в реакцию кислота, как правило, должна быть сильнее кислоты, от которой образована соль.

  Пример с выделением газа: $K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

  Пример с образованием осадка: $AgNO_3 + HBr \rightarrow AgBr \downarrow + HNO_3$

Ответ: Общие химические свойства кислот включают: изменение окраски индикаторов, взаимодействие с металлами (стоящими до водорода в ряду активности), с основными и амфотерными оксидами, с основаниями (реакция нейтрализации) и с солями (при условии образования газа, осадка или более слабой кислоты).

Перечислите условия протекания реакций между растворами кислот и металлами.

Реакции между растворами кислот и металлами протекают при соблюдении следующих условий:

1. Металл должен находиться в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности) левее водорода. Только в этом случае он способен вытеснять водород из растворов кислот-неокислителей.

   Пример: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

   Металлы правее водорода ($Cu, Ag, Au$ и др.) с такими кислотами не реагируют.

2. Кислота не должна быть сильным окислителем. Это условие относится к реакциям с выделением водорода. Кислоты-окислители, такие как азотная ($HNO_3$) и концентрированная серная ($H_2SO_4$), реагируют с металлами иначе. В этих реакциях водород, как правило, не выделяется, а образуются другие продукты восстановления кислоты ($NO_2, NO, SO_2$ и т.д.).

3. Образующаяся соль должна быть растворимой. Если в результате реакции на поверхности металла образуется нерастворимая пленка соли, она изолирует металл от дальнейшего контакта с кислотой, и реакция прекращается (пассивация). Например, реакция свинца ($Pb$) с серной кислотой ($H_2SO_4$) быстро затухает из-за образования нерастворимого сульфата свинца ($PbSO_4$).

   $Pb + H_2SO_4 \rightarrow PbSO_4 \downarrow + H_2 \uparrow$ (реакция прекращается)

Ответ: Для протекания реакции между раствором кислоты и металлом с выделением водорода необходимо, чтобы: 1) металл стоял в ряду активности левее водорода; 2) кислота не была кислотой-окислителем; 3) образующаяся соль была растворима в воде.

3. Сформулируйте правило Бертолле, т. е. перечислите условия протекания реакций между растворами электролитов.

Правило Бертолле (в современной формулировке) гласит: реакции ионного обмена в растворах электролитов протекают необратимо, то есть смещаются в сторону продуктов (идут практически до конца), если в результате реакции образуется вещество, которое выводится из сферы реакции.

Такой вывод вещества из реакционной смеси происходит при выполнении одного из трех следующих условий:

• Образование осадка (малорастворимого вещества)

  Если в результате взаимодействия ионов образуется вещество, нерастворимое или малорастворимое в воде, оно выпадает в осадок. Это эффективно удаляет ионы из раствора, смещая равновесие в сторону образования продуктов. Растворимость веществ определяют по таблице растворимости.

  Пример: реакция между растворами нитрата серебра ($AgNO_3$) и хлорида натрия ($NaCl$). Образуется белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

  Молекулярное уравнение: $AgNO_3 + NaCl \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$

  Полное ионное уравнение: $Ag^+ + NO_3^- + Na^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^-$

  Сокращенное ионное уравнение: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

• Выделение газа (летучего вещества)

  Если один из продуктов реакции является газообразным веществом, он покидает раствор, что также приводит к смещению равновесия в сторону продуктов.

  Пример: взаимодействие раствора карбоната натрия ($Na_2CO_3$) с соляной кислотой ($HCl$). Выделяется углекислый газ ($CO_2$).

  Молекулярное уравнение: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

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

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

• Образование малодиссоциирующего вещества (слабого электролита)

  Если в результате реакции образуется слабый электролит (вещество, которое в растворе существует преимущественно в виде недиссоциированных молекул), концентрация свободных ионов в растворе резко уменьшается. Это также является условием протекания реакции до конца. Самый распространенный пример — образование воды.

  Пример: реакция нейтрализации между сильной кислотой (например, $HCl$) и сильным основанием (например, $NaOH$).

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

  Полное ионное уравнение: $H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + H_2O$

  Сокращенное ионное уравнение: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

Ответ:
Согласно правилу Бертолле, реакции ионного обмена между растворами электролитов протекают до конца при выполнении хотя бы одного из следующих условий:
1. Образуется осадок (малорастворимое вещество).
2. Выделяется газ (летучее вещество).
3. Образуется слабый электролит (малодиссоциирующее вещество, например, вода).

4. Запишите уравнения реакций (в молекулярной и ионной формах), характеризующих свойства:

а) серной кислоты;

б) соляной кислоты.

Решение

Для характеристики свойств кислот запишем их типичные химические реакции в молекулярной и ионной формах. Общими свойствами кислот являются реакции с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с основными и амфотерными оксидами, с основаниями и амфотерными гидроксидами, а также с солями более слабых или летучих кислот.

а) серной кислоты

Серная кислота ($H_2SO_4$) — сильная двухосновная кислота. Рассмотрим свойства ее разбавленного раствора.

1. Взаимодействие с активными металлами (на примере цинка):

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + Zn \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + Zn^0 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-} + H_2^0 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$2H^+ + Zn \rightarrow Zn^{2+} + H_2 \uparrow$

2. Взаимодействие с основными оксидами (на примере оксида меди(II)):

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + CuO \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

Полное ионное уравнение (оксид меди нерастворим):

$2H^+ + SO_4^{2-} + CuO \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-} + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$2H^+ + CuO \rightarrow Cu^{2+} + H_2O$

3. Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации на примере гидроксида натрия):

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

4. Взаимодействие с солями (качественная реакция на сульфат-ион с хлоридом бария):

Молекулярное уравнение:

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2H^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$SO_4^{2-} + Ba^{2+} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Ответ:

Уравнения реакций, характеризующие свойства серной кислоты:

$H_2SO_4 + Zn \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

$H_2SO_4 + CuO \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

б) соляной кислоты

Соляная кислота ($HCl$) — сильная одноосновная кислота.

1. Взаимодействие с активными металлами (на примере магния):

Молекулярное уравнение:

$2HCl + Mg \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + 2Cl^- + Mg^0 \rightarrow Mg^{2+} + 2Cl^- + H_2^0 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$2H^+ + Mg \rightarrow Mg^{2+} + H_2 \uparrow$

2. Взаимодействие с нерастворимыми основаниями (на примере гидроксида алюминия):

Молекулярное уравнение:

$3HCl + Al(OH)_3 \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$

Полное ионное уравнение (гидроксид алюминия нерастворим):

$3H^+ + 3Cl^- + Al(OH)_3 \downarrow \rightarrow Al^{3+} + 3Cl^- + 3H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$3H^+ + Al(OH)_3 \downarrow \rightarrow Al^{3+} + 3H_2O$

3. Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации на примере гидроксида калия):

Молекулярное уравнение:

$HCl + KOH \rightarrow KCl + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$H^+ + Cl^- + K^+ + OH^- \rightarrow K^+ + Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

4. Взаимодействие с солями слабых кислот (на примере карбоната натрия):

Молекулярное уравнение:

$2HCl + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + 2Cl^- + 2Na^+ + CO_3^{2-} \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$2H^+ + CO_3^{2-} \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ:

Уравнения реакций, характеризующие свойства соляной кислоты:

$2HCl + Mg \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

$3HCl + Al(OH)_3 \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$

$HCl + KOH \rightarrow KCl + H_2O$

$2HCl + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

5. Запишите в молекулярной и ионной формах уравнения реакций между:

а) азотной кислотой ($HNO_3$) и оксидом кальция ($CaO$);

б) азотной кислотой ($HNO_3$) и гидроксидом кальция ($Ca(OH)_2$);

в) азотной кислотой ($HNO_3$) и карбонатом кальция ($CaCO_3$).

Решение

а) азотной кислотой и оксидом кальция;

Реакция между азотной кислотой ($HNO_3$, сильная кислота) и оксидом кальция ($CaO$, основный оксид) является реакцией обмена, в результате которой образуются соль нитрат кальция и вода.

Молекулярное уравнение реакции:
Сначала запишем формулы реагентов и продуктов, а затем уравняем коэффициенты. $2HNO_3 + CaO \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$

Полное ионное уравнение:
В ионном уравнении сильные растворимые электролиты (сильные кислоты, щелочи, растворимые соли) записываются в виде ионов. Азотная кислота и нитрат кальция — сильные электролиты. Оксид кальция — твёрдое вещество, а вода — слабый электролит, они записываются в молекулярном виде. $2H^+ + 2NO_3^- + CaO \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:
Для получения сокращенного ионного уравнения необходимо исключить из обеих частей полного ионного уравнения одинаковые ионы (ионы-наблюдатели), в данном случае это нитрат-ионы ($2NO_3^-$). $2H^+ + CaO \rightarrow Ca^{2+} + H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $2HNO_3 + CaO \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $2H^+ + CaO \rightarrow Ca^{2+} + H_2O$.

б) азотной кислотой и гидроксидом кальция;

Реакция между азотной кислотой ($HNO_3$) и гидроксидом кальция ($Ca(OH)_2$, сильное основание, щелочь) является реакцией нейтрализации с образованием соли и воды.

Молекулярное уравнение реакции:
$2HNO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + 2H_2O$

Полное ионное уравнение:
Азотная кислота, гидроксид кальция и нитрат кальция являются сильными электролитами. Вода — слабый электролит. $2H^+ + 2NO_3^- + Ca^{2+} + 2OH^- \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^- + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:
Исключаем ионы-наблюдатели $Ca^{2+}$ и $2NO_3^-$. $2H^+ + 2OH^- \rightarrow 2H_2O$
Сокращаем коэффициенты на 2: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

Ответ: Молекулярное уравнение: $2HNO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + 2H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$.

в) азотной кислотой и карбонатом кальция.

Реакция между сильной азотной кислотой ($HNO_3$) и солью слабой угольной кислоты — карбонатом кальция ($CaCO_3$). В результате реакции образуется новая соль, а слабая угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду.

Молекулярное уравнение реакции:
$2HNO_3 + CaCO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2$

Полное ионное уравнение:
Карбонат кальция — нерастворимая соль, поэтому записывается в молекулярном виде. Углекислый газ и вода — слабые электролиты. $2H^+ + 2NO_3^- + CaCO_3 \rightarrow Ca^{2+} + 2NO_3^- + H_2O + CO_2$

Сокращенное ионное уравнение:
Исключаем ион-наблюдатель $2NO_3^-$. $2H^+ + CaCO_3 \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$

Ответ: Молекулярное уравнение: $2HNO_3 + CaCO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O + CO_2$. Сокращенное ионное уравнение: $2H^+ + CaCO_3 \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$.

6. С какими из перечисленных веществ реагирует соляная кислота: азот, железо, оксид кальция, серная кислота, гидроксид алюминия, сульфат натрия, нитрат серебра? Напишите уравнения возможных реакций в молекулярной и ионной формах.

Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой и вступает в реакцию с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с основными и амфотерными оксидами, с основаниями и амфотерными гидроксидами, а также с некоторыми солями, если в результате реакции образуется осадок, газ или слабый электролит.

Рассмотрим взаимодействие соляной кислоты с каждым из предложенных веществ.

Железо

Соляная кислота реагирует с железом ($Fe$), так как железо является металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений левее водорода. В результате реакции замещения образуется соль хлорид железа(II) и выделяется газообразный водород.

Молекулярное уравнение:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$

Полное ионное уравнение:

$Fe^0 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Fe^{2+} + 2Cl^- + H_2^0\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$Fe^0 + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2^0\uparrow$

Ответ: реагирует.

Оксид кальция

Оксид кальция ($CaO$) — это основный оксид, который вступает в реакцию нейтрализации с соляной кислотой с образованием растворимой соли (хлорида кальция) и воды.

Молекулярное уравнение:

$CaO + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O$

Полное ионное уравнение (учитывая, что $CaO$ - твердое вещество):

$CaO + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$CaO + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O$

Ответ: реагирует.

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) является амфотерным гидроксидом, нерастворимым в воде. Он реагирует с сильными кислотами, проявляя свойства основания, с образованием соли и воды.

Молекулярное уравнение:

$Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$

Полное ионное уравнение (учитывая, что $Al(OH)_3$ - нерастворимый осадок):

$Al(OH)_3\downarrow + 3H^+ + 3Cl^- \rightarrow Al^{3+} + 3Cl^- + 3H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$Al(OH)_3\downarrow + 3H^+ \rightarrow Al^{3+} + 3H_2O$

Ответ: реагирует.

Нитрат серебра

Соляная кислота реагирует с нитратом серебра ($AgNO_3$) в реакции ионного обмена. Реакция протекает, так как одним из продуктов является нерастворимое в воде и кислотах вещество — хлорид серебра ($AgCl$), который выпадает в виде белого творожистого осадка.

Молекулярное уравнение:

$AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl\downarrow + HNO_3$

Полное ионное уравнение:

$Ag^+ + NO_3^- + H^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow + H^+ + NO_3^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ: реагирует.

Вещества, не вступающие в реакцию с соляной кислотой:

• Азот ($N_2$): при обычных условиях химически малоактивен, не реагирует с кислотами-неокислителями, как соляная кислота. Ответ: не реагирует.
• Серная кислота ($H_2SO_4$): кислота с кислотой не реагирует. Реакция ионного обмена невозможна, так как не происходит видимых изменений. Ответ: не реагирует.
• Сульфат натрия ($Na_2SO_4$): это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$). Реакция обмена с соляной кислотой ($HCl$) не идет, так как в результате не образуется осадок, газ или слабый электролит. Все ионы остаются в растворе в диссоциированном виде. Ответ: не реагирует.

7. Найдите массу 10%-ной соляной кислоты, необходимой для нейтрализации 160 г 5%-ного раствора гидроксида натрия.

Дано:

$m_{р-ра}(NaOH) = 160 \text{ г}$
$\omega(NaOH) = 5\% = 0.05$
$\omega(HCl) = 10\% = 0.10$

Найти:

$m_{р-ра}(HCl) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции нейтрализации между соляной кислотой $(HCl)$ и гидроксидом натрия $(NaOH)$:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Из уравнения реакции следует, что вещества реагируют в мольном соотношении 1:1, то есть $n(HCl) = n(NaOH)$.

2. Рассчитаем массу чистого гидроксида натрия, содержащегося в 160 г 5%-го раствора. Масса растворенного вещества вычисляется по формуле: $m_{вещества} = m_{раствора} \times \omega_{вещества}$.

$m(NaOH) = 160 \text{ г} \times 0.05 = 8 \text{ г}$

3. Найдем количество вещества (число моль) гидроксида натрия. Для этого нам понадобится молярная масса $NaOH$.

$M(NaOH) = M(Na) + M(O) + M(H) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

Теперь вычислим количество вещества:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{8 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0.2 \text{ моль}$

4. Согласно стехиометрии реакции, количество вещества соляной кислоты равно количеству вещества гидроксида натрия.

$n(HCl) = n(NaOH) = 0.2 \text{ моль}$

5. Теперь найдем массу чистой соляной кислоты, которая необходима для реакции. Вычислим молярную массу $HCl$.

$M(HCl) = M(H) + M(Cl) = 1 + 35.5 = 36.5 \text{ г/моль}$

Найдем массу $HCl$:

$m(HCl) = n(HCl) \times M(HCl) = 0.2 \text{ моль} \times 36.5 \text{ г/моль} = 7.3 \text{ г}$

6. Зная массу чистой соляной кислоты (7.3 г) и ее массовую долю в растворе (10%), определим массу всего раствора соляной кислоты.

$m_{р-ра}(HCl) = \frac{m(HCl)}{\omega(HCl)} = \frac{7.3 \text{ г}}{0.10} = 73 \text{ г}$

Ответ: масса 10%-ной соляной кислоты, необходимой для нейтрализации, составляет 73 г.

8. Какая масса мрамора, содержащего 96 % карбоната кальция, потребуется для получения 89,6 л углекислого газа (н. у.) при взаимодействии его с азотной кислотой? Какая масса 20%-ного раствора кислоты потребуется для этой реакции?

Дано:

$ω(\text{CaCO}_3\ \text{в мраморе}) = 96\% = 0,96$
$V(\text{CO}_2) = 89,6\ \text{л}$ (н. у.)
$ω(\text{HNO}_3\ \text{в растворе}) = 20\% = 0,20$
$V_m = 22,4\ \text{л/моль}$

Найти:

$m(\text{мрамора}) - ?$
$m(\text{р-ра } \text{HNO}_3) - ?$

Решение:

Составим уравнение химической реакции взаимодействия карбоната кальция (основного компонента мрамора) с азотной кислотой:
$\text{CaCO}_3 + 2\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Ca}(\text{NO}_3)_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

1. Рассчитаем количество вещества (моль) углекислого газа ($CO_2$), выделившегося в ходе реакции. Объем дан для нормальных условий (н.у.), поэтому используем молярный объем газа $V_m = 22,4\ \text{л/моль}$:
$n(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V_m} = \frac{89,6\ \text{л}}{22,4\ \text{л/моль}} = 4\ \text{моль}$

Какая масса мрамора, содержащего 96 % карбоната кальция, потребуется для получения 89,6 л углекислого газа

2. По уравнению реакции, стехиометрическое соотношение между карбонатом кальция и углекислым газом составляет 1:1. Следовательно, количество вещества $\text{CaCO}_3$ равно количеству вещества $\text{CO}_2$:
$n(\text{CaCO}_3) = n(\text{CO}_2) = 4\ \text{моль}$

3. Вычислим молярную массу карбоната кальция:
$M(\text{CaCO}_3) = M(\text{Ca}) + M(\text{C}) + 3 \cdot M(\text{O}) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100\ \text{г/моль}$

4. Найдем массу чистого карбоната кальция, который вступил в реакцию:
$m(\text{CaCO}_3) = n(\text{CaCO}_3) \cdot M(\text{CaCO}_3) = 4\ \text{моль} \cdot 100\ \text{г/моль} = 400\ \text{г}$

5. Массовая доля карбоната кальция в мраморе составляет 96%. Чтобы найти массу всего мрамора (с учетом примесей), разделим массу чистого вещества на его массовую долю:
$m(\text{мрамора}) = \frac{m(\text{CaCO}_3)}{ω(\text{CaCO}_3)} = \frac{400\ \text{г}}{0,96} \approx 416,67\ \text{г}$

Ответ: для реакции потребуется $\approx 416,67$ г мрамора.

Какая масса 20%-ного раствора кислоты потребуется для этой реакции

6. Из уравнения реакции видно, что на 1 моль $\text{CO}_2$ расходуется 2 моль $\text{HNO}_3$. Найдем количество вещества азотной кислоты:
$n(\text{HNO}_3) = 2 \cdot n(\text{CO}_2) = 2 \cdot 4\ \text{моль} = 8\ \text{моль}$

7. Вычислим молярную массу азотной кислоты:
$M(\text{HNO}_3) = M(\text{H}) + M(\text{N}) + 3 \cdot M(\text{O}) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63\ \text{г/моль}$

8. Найдем массу чистой азотной кислоты, необходимой для реакции:
$m(\text{HNO}_3) = n(\text{HNO}_3) \cdot M(\text{HNO}_3) = 8\ \text{моль} \cdot 63\ \text{г/моль} = 504\ \text{г}$

9. Зная массу чистой кислоты и ее массовую долю в растворе (20%), найдем массу всего раствора:
$m(\text{р-ра } \text{HNO}_3) = \frac{m(\text{HNO}_3)}{ω(\text{HNO}_3)} = \frac{504\ \text{г}}{0,20} = 2520\ \text{г}$

Ответ: для реакции потребуется 2520 г 20%-ного раствора азотной кислоты.

9. Подготовьте сообщение об областях применения серной кислоты.

Серная кислота ($H_2SO_4$) — это тяжёлая маслянистая жидкость, одна из самых сильных неорганических кислот и, без сомнения, один из важнейших продуктов мировой химической промышленности. Её значимость настолько велика, что её часто называют «кровью химии», а объём её производства является одним из ключевых индикаторов экономического развития страны. Области её применения чрезвычайно разнообразны и охватывают практически все отрасли народного хозяйства.

Производство минеральных удобрений

Это основная сфера применения серной кислоты, на которую приходится около половины всего мирового производства. Она используется для разложения природных фосфатов с целью получения фосфорных удобрений, в первую очередь, простого и двойного суперфосфата. Например, при получении простого суперфосфата протекает реакция: $Ca_3(PO_4)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2CaSO_4$. Также серную кислоту используют для получения сульфата аммония — важного азотного удобрения: $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$.

Химическая промышленность

Серная кислота служит сырьём для получения множества других химических веществ. С её помощью производят другие кислоты (соляную, фосфорную, уксусную), различные соли (сульфаты меди, цинка, железа), синтетические моющие средства, а также используют как катализатор в процессах органического синтеза (например, при этерификации или дегидратации спиртов). Благодаря своей высокой гигроскопичности, концентрированная серная кислота является отличным осушителем газов.

Металлургия и металлообработка

В металлургической промышленности серную кислоту применяют для травления — удаления оксидной плёнки и ржавчины с поверхности металлов (в основном, стали) перед нанесением защитных покрытий (гальванизация, лужение, эмалирование). Также она используется в гидрометаллургии для извлечения металлов, таких как медь, уран, цинк, из рудного сырья.

Нефтеперерабатывающая промышленность

В нефтепереработке серная кислота используется для очистки нефтепродуктов (бензина, керосина, смазочных масел) от нежелательных примесей, таких как сернистые соединения, непредельные углеводороды и смолистые вещества.

Производство взрывчатых веществ и красителей

Серная кислота является обязательным компонентом нитрующей смеси (смесь с концентрированной азотной кислотой), которая используется для производства многих взрывчатых веществ, например, тринитротолуола (ТНТ) и нитроглицерина. Также она широко применяется в синтезе анилиновых и многих других органических красителей.

Производство химических волокон

Серная кислота играет ключевую роль в производстве искусственных волокон, таких как вискозное волокно (вискозный шёлк) и целлофан. Она входит в состав так называемой осадительной ванны, где происходит формование волокна из раствора ксантогената целлюлозы.

Электротехника

Разбавленный водный раствор серной кислоты ($30-35\%$) используется в качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах, которые широко распространены в автомобилях и системах бесперебойного питания. Химическая реакция с участием кислоты обеспечивает накопление и отдачу электрической энергии: $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$.

Прочие области применения

Кроме перечисленного, серная кислота находит применение в пищевой промышленности в качестве регулятора кислотности (пищевая добавка E513), в кожевенном производстве для дубления кож, в фармацевтике, а также в лабораторной практике в качестве реактива и осушителя.

Таким образом, серная кислота является поистине универсальным продуктом, без которого невозможно представить современную промышленность и многие аспекты повседневной жизни.

Ответ: Серная кислота применяется в производстве минеральных удобрений, в химической промышленности для синтеза кислот, солей и моющих средств, в металлургии для травления металлов, в нефтепереработке для очистки нефтепродуктов, в производстве взрывчатых веществ, красителей, химических волокон, а также в качестве электролита в свинцовых аккумуляторах и в других отраслях.