Страница 48 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 31

Поместите в пробирку канцелярскую скрепку. Прилейте в пробирку раствор сульфата меди(II) так, чтобы скрепка полностью находилась в растворе. Через некоторое время вы сможете отметить признак протекающей реакции. Какие изменения вы наблюдаете?

Решение

При погружении канцелярской скрепки, которая сделана из стали (сплава на основе железа, $Fe$), в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$), происходит химическая реакция замещения. Железо является более химически активным металлом по сравнению с медью, что можно определить по их положению в электрохимическом ряду активности металлов (железо стоит левее меди). Поэтому железо вытесняет медь из раствора её соли.

Молекулярное уравнение этой реакции выглядит так:

$Fe_{(тв)} + CuSO_{4(раствор)} \rightarrow FeSO_{4(раствор)} + Cu_{(тв)}$

В ходе реакции атомы железа с поверхности скрепки окисляются (отдают электроны) и переходят в раствор в виде ионов железа($II$) ($Fe^{2+}$). В то же время ионы меди($II$) ($Cu^{2+}$) из раствора, которые и придают ему голубой цвет, восстанавливаются (принимают электроны) до металлической меди ($Cu$), которая оседает на поверхности скрепки.

Исходя из этого, наблюдаются следующие изменения:

• Поверхность скрепки, изначально имеющая серебристо-серый металлический блеск, покрывается рыхлым налётом красно-коричневого цвета. Этот налёт — выделившаяся в ходе реакции металлическая медь.
• Голубая окраска раствора сульфата меди(II) постепенно бледнеет и исчезает, так как концентрация ионов $Cu^{2+}$ уменьшается. Одновременно раствор приобретает бледный зеленовато-желтый оттенок, характерный для раствора сульфата железа(II) ($FeSO_4$).

Ответ:

Наблюдаемые изменения: на поверхности скрепки образуется налёт красно-коричневого цвета (медь), а голубой раствор постепенно обесцвечивается, приобретая бледно-зеленый оттенок.

1. Какие электролиты называют солями?

Какие электролиты называют солями?

С точки зрения теории электролитической диссоциации, солями называют сложные вещества-электролиты, которые при растворении в воде или в расплаве диссоциируют (распадаются) на катионы металла (или более сложный катион, например, катион аммония $NH_4^+$) и анионы кислотного остатка.

Соли можно рассматривать как продукты взаимодействия основания и кислоты. В зависимости от полноты этого взаимодействия, различают несколько типов солей:

Средние (нормальные) соли — образуются при полной нейтрализации кислоты основанием. При диссоциации дают только катионы металла (или $NH_4^+$) и анионы кислотного остатка.
Пример: хлорид натрия $NaCl$ диссоциирует на катион натрия и хлорид-анион:
$NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^-$
Пример: сульфат калия $K_2SO_4$ диссоциирует на катионы калия и сульфат-анион:
$K_2SO_4 \leftrightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$

Кислые соли — образуются при неполной нейтрализации многоосновной кислоты. При диссоциации они дают катионы металла, а также гидроанионы (кислотные остатки, содержащие водород), которые, в свою очередь, могут диссоциировать с отщеплением катиона водорода $H^+$.
Пример: гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$ диссоциирует по первой ступени на катион натрия и гидрокарбонат-анион:
$NaHCO_3 \leftrightarrow Na^+ + HCO_3^-$

Основные соли — образуются при неполной нейтрализации многокислотного основания кислотой. При диссоциации они дают анионы кислотного остатка и гидроксокатионы (катионы металла, содержащие гидроксогруппы $OH^-$), которые могут далее диссоциировать с отщеплением гидроксид-иона $OH^-$.
Пример: хлорид гидроксомагния $Mg(OH)Cl$ диссоциирует по первой ступени на гидроксокатион магния и хлорид-анион:
$Mg(OH)Cl \leftrightarrow Mg(OH)^+ + Cl^-$

Ответ: Солями называют электролиты, которые при диссоциации в растворе или расплаве образуют катионы металла (или катион аммония $NH_4^+$) и анионы кислотного остатка.

2. Охарактеризуйте химические свойства средних солей.

Средние (или нормальные) соли — это сложные вещества, которые состоят из катионов металла (или катиона аммония $NH_4^+$) и анионов кислотного остатка. Они проявляют ряд характерных химических свойств, вступая в реакции, которые, как правило, являются реакциями ионного обмена в растворах.

1. Взаимодействие с металлами

Растворимые в воде соли могут реагировать с металлами. Реакция протекает, если металл, вступающий в реакцию, является более активным, чем металл, входящий в состав соли. Активность металлов определяется по электрохимическому ряду напряжений (ряду активности металлов): более активный металл (стоящий левее) вытесняет менее активный (стоящий правее) из раствора его соли.

Пример:

Железо, будучи более активным металлом, чем медь, вытесняет ее из раствора сульфата меди(II):

$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$

Обратная реакция невозможна, так как медь менее активна, чем железо:

$Cu + FeSO_4 \nrightarrow$

Ответ: Реакция возможна, если реагирующий металл в ряду активности стоит левее металла, входящего в состав соли, и реакция проводится в водном растворе.

2. Взаимодействие с кислотами

Соли реагируют с кислотами, если в результате реакции обмена образуется продукт, уходящий из сферы реакции: осадок, газ или слабый электролит (например, вода или слабая кислота). Также реакция идет, если вступающая в реакцию кислота сильнее той, которая образовала соль.

Примеры:

• Образование нерастворимого осадка: $AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl\downarrow + HNO_3$
• Выделение газа: $K_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$
• Образование слабой кислоты: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3\downarrow$

Ответ: Реакция протекает при условии образования осадка, газа или более слабой кислоты.

3. Взаимодействие со щелочами

Растворимые в воде соли реагируют с растворимыми основаниями (щелочами) при условии, что в результате реакции ионного обмена образуется нерастворимое основание (осадок) или выделяется газ (аммиак из солей аммония).

Примеры:

• Образование нерастворимого основания: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$
• Выделение газа: $NH_4NO_3 + KOH \rightarrow KNO_3 + NH_3\uparrow + H_2O$

Ответ: Реакция идет, если оба исходных реагента (соль и щелочь) растворимы, а в продуктах образуется осадок или газ.

4. Взаимодействие с другими солями

Две растворимые в воде соли вступают в реакцию друг с другом, если в результате реакции обмена образуется нерастворимая соль, выпадающая в осадок.

Пример:

$BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$

Ответ: Реакция возможна, если обе исходные соли растворимы, а одна из образующихся солей выпадает в осадок.

5. Термическое разложение

Многие средние соли при нагревании разлагаются. Состав продуктов разложения зависит от химической природы катиона и аниона, образующих соль.

Примеры:

• Карбонаты (кроме карбонатов щелочных металлов, за исключением лития) разлагаются на оксид металла и углекислый газ: $MgCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} MgO + CO_2\uparrow$
• Нитраты разлагаются по-разному в зависимости от активности металла:
  • Нитраты активных металлов (до Mg): $2NaNO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2NaNO_2 + O_2\uparrow$
  • Нитраты металлов средней активности (от Mg до Cu): $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$
  • Нитраты неактивных металлов (после Cu): $2AgNO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$
• Некоторые соли аммония: $(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t^{\circ}C} N_2\uparrow + Cr_2O_3 + 4H_2O$

Ответ: Способность к разложению и состав продуктов определяются конкретной солью.

6. Гидролиз по катиону или аниону

Гидролиз — это обратимая реакция обмена ионов соли с молекулами воды, которая приводит к образованию слабого электролита и изменению кислотности (pH) раствора.

• Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой (например, $NaCl, KNO_3$), гидролизу не подвергаются. Среда их растворов нейтральная ($pH \approx 7$).
• Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой (например, $CuCl_2, Al_2(SO_4)_3, NH_4Cl$), подвергаются гидролизу по катиону. Среда их растворов кислая ($pH < 7$).

  $Cu^{2+} + H_2O \rightleftharpoons CuOH^{+} + H^+$

• Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой (например, $K_2S, Na_2CO_3$), подвергаются гидролизу по аниону. Среда их растворов щелочная ($pH > 7$).

  $S^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HS^{-} + OH^-$

• Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой (например, $Al_2S_3, (NH_4)_2CO_3$), подвергаются гидролизу и по катиону, и по аниону. Часто такой гидролиз является необратимым.

  $Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$

Ответ: Соли, имеющие в своем составе ион от слабого основания или слабой кислоты, подвергаются гидролизу, что влияет на pH их водных растворов.

3. Как диссоциируют кислые соли? Запишите уравнения диссоциации сульфата и гидросульфата калия и уравнение реакции превращения кислой соли в среднюю.

Как диссоциируют кислые соли?

Кислые соли образуются при неполном замещении атомов водорода в многоосновной кислоте на катионы металла. В водных растворах они диссоциируют ступенчато.

1. Первая ступень — это полная, необратимая диссоциация соли на катион металла и сложный анион, содержащий водород (гидроанион). Этот процесс характерен для всех сильных электролитов.

2. Вторая ступень — это обратимая диссоциация гидроаниона. Гидроанион ведет себя как слабая кислота и частично отщепляет ион водорода $H^+$. Этот процесс является равновесным и обуславливает кислую среду раствора данной соли.

Ответ: Кислые соли диссоциируют в две ступени: сначала полностью на катион металла и гидроанион, а затем гидроанион частично и обратимо диссоциирует на катион водорода и анион кислотного остатка, создавая кислую среду.

Уравнения диссоциации сульфата и гидросульфата калия

Сульфат калия ($K_2SO_4$) является средней солью, образованной сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$). Его диссоциация в водном растворе протекает в одну ступень и является полной:

$K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$

Гидросульфат калия ($KHSO_4$) является кислой солью. Его диссоциация происходит ступенчато:

I ступень (полная диссоциация соли):
$KHSO_4 \rightarrow K^+ + HSO_4^-$

II ступень (обратимая диссоциация гидросульфат-иона):
$HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации сульфата калия: $K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$.
Уравнения ступенчатой диссоциации гидросульфата калия:
I ступень: $KHSO_4 \rightarrow K^+ + HSO_4^-$;
II ступень: $HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$.

Уравнение реакции превращения кислой соли в среднюю

Для превращения кислой соли в среднюю (нормальную) необходимо нейтрализовать оставшийся "кислый" атом водорода в составе кислотного остатка. Этого можно достичь, добавив к раствору кислой соли щелочь. В данном случае для превращения гидросульфата калия в сульфат калия нужно добавить гидроксид калия.

Молекулярное уравнение реакции:

$KHSO_4 + KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$

Ответ: $KHSO_4 + KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$.

4. Запишите ионные и молекулярные уравнения получения сульфата магния с использованием соединений разных классов (не менее пяти способов).

Для получения сульфата магния ($MgSO_4$) можно использовать реакции с участием соединений различных классов. Ниже приведены пять способов.

1. Взаимодействие активного металла с кислотой

Сульфат магния образуется при реакции металлического магния (класс: простое вещество) с серной кислотой (класс: кислота). Так как магний в ряду электрохимической активности металлов стоит до водорода, он вытесняет его из раствора кислоты.

Ответ:

Молекулярное уравнение:
$Mg + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$
Полное ионное уравнение:
$Mg^0 + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-} + H_2^0\uparrow$
Сокращенное ионное уравнение:
$Mg^0 + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + H_2^0\uparrow$

2. Взаимодействие основного оксида с кислотой

Данный способ основан на реакции между основным оксидом магния (класс: оксиды) и серной кислотой. В результате реакции обмена образуется соль и вода.

Ответ:

Молекулярное уравнение:
$MgO + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O$
Полное ионное уравнение (учитывая, что MgO - твердое вещество):
$MgO + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-} + H_2O$
Сокращенное ионное уравнение:
$MgO + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + H_2O$

3. Реакция нейтрализации: основание + кислота

Сульфат магния можно получить в результате реакции нейтрализации между гидроксидом магния (класс: основания) и серной кислотой. Гидроксид магния является нерастворимым основанием.

Ответ:

Молекулярное уравнение:
$Mg(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + 2H_2O$
Полное ионное уравнение (учитывая, что Mg(OH)₂ - нерастворимое основание):
$Mg(OH)_2\downarrow + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-} + 2H_2O$
Сокращенное ионное уравнение:
$Mg(OH)_2\downarrow + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + 2H_2O$

4. Взаимодействие соли с кислотой

Реакция обмена между солью магния, например, карбонатом магния (класс: соли), и серной кислотой. Реакция протекает, так как в результате выделяется углекислый газ (образуется нестабильная угольная кислота $H_2CO_3$, которая разлагается на $H_2O$ и $CO_2$).

Ответ:

Молекулярное уравнение:
$MgCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$
Полное ионное уравнение (учитывая, что MgCO₃ - нерастворимая соль):
$MgCO_3\downarrow + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-} + H_2O + CO_2\uparrow$
Сокращенное ионное уравнение:
$MgCO_3\downarrow + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow$

5. Взаимодействие более активного металла с солью менее активного металла

Магний является более активным металлом, чем медь, поэтому он может вытеснить медь из раствора ее соли, например, сульфата меди (II) (класс: соли).

Ответ:

Молекулярное уравнение:
$Mg + CuSO_4 \rightarrow MgSO_4 + Cu\downarrow$
Полное ионное уравнение:
$Mg^0 + Cu^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow Mg^{2+} + SO_4^{2-} + Cu^0\downarrow$
Сокращенное ионное уравнение:
$Mg^0 + Cu^{2+} \rightarrow Mg^{2+} + Cu^0\downarrow$

5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

a) $P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

б) $Zn \rightarrow ZnCl_2 \rightarrow Zn(OH)_2 \rightarrow ZnO \rightarrow ZnSO_4 \rightarrow Zn(NO_3)_2$

в) $Na_2O \rightarrow NaOH \rightarrow NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4$

Реакции с участием электролитов запишите также и в ионном виде.

а) $P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

Решение:

1. Сжигание фосфора в избытке кислорода приводит к образованию оксида фосфора(V):
$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$

2. Оксид фосфора(V) является кислотным оксидом и реагирует с водой, образуя ортофосфорную кислоту:
$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

3. Для получения фосфата кальция можно использовать реакцию нейтрализации ортофосфорной кислоты гидроксидом кальция. Фосфат кальция выпадает в осадок.
$2H_3PO_4 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6H_2O$
Это реакция с участием электролитов ($H_3PO_4$ - кислота, $Ca(OH)_2$ - основание).
Полное ионное уравнение (учитывая, что $H_3PO_4$ - слабая кислота, а $Ca(OH)_2$ - сильное основание):
$2H_3PO_4 + 3Ca^{2+} + 6OH^- \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6H_2O$
Сокращенное ионное уравнение в данном случае совпадает с полным, так как все ионы участвуют в образовании осадка и воды.

Ответ:
$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$
$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$
$2H_3PO_4 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6H_2O$

б) $Zn \rightarrow ZnCl_2 \rightarrow Zn(OH)_2 \rightarrow ZnO \rightarrow ZnSO_4 \rightarrow Zn(NO_3)_2$

Решение:

1. Цинк реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и выделением водорода:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
Полное ионное уравнение: $Zn + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Zn^{2+} + 2Cl^- + H_2 \uparrow$
Сокращенное ионное уравнение: $Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2 \uparrow$

2. При добавлении щелочи (например, гидроксида натрия) к раствору хлорида цинка выпадает осадок гидроксида цинка:
$ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
Полное ионное уравнение: $Zn^{2+} + 2Cl^- + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$
Сокращенное ионное уравнение: $Zn^{2+} + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow$

3. Нерастворимые гидроксиды, как гидроксид цинка, при нагревании разлагаются на оксид и воду:
$Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} ZnO + H_2O$

4. Оксид цинка, будучи амфотерным оксидом с преобладанием основных свойств, реагирует с кислотами, например, с серной кислотой, образуя соль и воду:
$ZnO + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2O$
Полное ионное уравнение: $ZnO + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-} + H_2O$
Сокращенное ионное уравнение: $ZnO + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2O$

5. Чтобы получить нитрат цинка из сульфата цинка, можно использовать реакцию с нитратом бария. В результате реакции обмена образуется нерастворимый сульфат бария:
$ZnSO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow Zn(NO_3)_2 + BaSO_4 \downarrow$
Полное ионное уравнение: $Zn^{2+} + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2NO_3^- \rightarrow Zn^{2+} + 2NO_3^- + BaSO_4 \downarrow$
Сокращенное ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Ответ:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
$ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
$Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} ZnO + H_2O$
$ZnO + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2O$
$ZnSO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow Zn(NO_3)_2 + BaSO_4 \downarrow$

в) $Na_2O \rightarrow NaOH \rightarrow NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4$

Решение:

1. Оксид натрия — основный оксид, который активно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия (щелочи):
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$

2. При пропускании избытка углекислого газа через раствор гидроксида натрия образуется кислая соль — гидрокарбонат натрия:
$NaOH + CO_2 \rightarrow NaHCO_3$
Полное ионное уравнение: $Na^+ + OH^- + CO_2 \rightarrow Na^+ + HCO_3^-$
Сокращенное ионное уравнение: $OH^- + CO_2 \rightarrow HCO_3^-$

3. Гидрокарбонат натрия можно превратить в карбонат натрия, добавив к нему щелочь:
$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
Полное ионное уравнение: $Na^+ + HCO_3^- + Na^+ + OH^- \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-} + H_2O$
Сокращенное ионное уравнение: $HCO_3^- + OH^- \rightarrow CO_3^{2-} + H_2O$

4. Для получения сульфата натрия из карбоната натрия, нужно подействовать на карбонат серной кислотой. В результате реакции выделится углекислый газ:
$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$
Полное ионное уравнение: $2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + H_2O + CO_2 \uparrow$
Сокращенное ионное уравнение: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ:
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$
$NaOH + CO_2 \rightarrow NaHCO_3$
$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$