Страница 118 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

5. В концентрированной азотной кислоте растворили 208 г смеси меди и оксида меди(II). При этом выделилось 89,6 л оксида азота(IV) (н. у.). Определите массовые доли компонентов исходной смеси и объём 60%-ной азотной кислоты ($\rho = 1,20$ г/мл), затраченной на реакцию.

Дано:

Решение:

Дано:

$m(смеси\ Cu\ и\ CuO) = 208\ г$

$V(NO_2) = 89,6\ л\ (н.у.)$

$w(HNO_3) = 60\% = 0,60$

$\rho(р-ра\ HNO_3) = 1,20\ г/мл$

Найти:

$w(Cu) - ?$

$w(CuO) - ?$

$V(р-ра\ HNO_3) - ?$

Решение:

Запишем уравнения реакций, протекающих при растворении смеси в концентрированной азотной кислоте. Медь реагирует с концентрированной азотной кислотой с выделением оксида азота(IV), а оксид меди(II) вступает в реакцию обмена без выделения газа.

1) Реакция меди с концентрированной азотной кислотой:

$Cu + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

2) Реакция оксида меди(II) с азотной кислотой:

$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

Определение массовых долей компонентов исходной смеси

Оксид азота(IV) $NO_2$ выделяется только в первой реакции. Это позволяет нам рассчитать количество вещества и массу меди в исходной смеси. Молярный объем газа при нормальных условиях (н.у.) составляет $V_m = 22,4\ л/моль$.

Найдем количество вещества выделившегося $NO_2$:

$n(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V_m} = \frac{89,6\ л}{22,4\ л/моль} = 4\ моль$

По уравнению реакции (1), соотношение количеств вещества меди и оксида азота(IV) составляет $n(Cu) : n(NO_2) = 1 : 2$. Следовательно, количество вещества меди:

$n(Cu) = \frac{1}{2} n(NO_2) = \frac{1}{2} \cdot 4\ моль = 2\ моль$

Теперь найдем массу меди в смеси. Молярная масса меди $M(Cu) = 64\ г/моль$.

$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = 2\ моль \cdot 64\ г/моль = 128\ г$

Зная общую массу смеси, найдем массу оксида меди(II):

$m(CuO) = m(смеси) - m(Cu) = 208\ г - 128\ г = 80\ г$

Рассчитаем массовые доли компонентов в исходной смеси:

$w(Cu) = \frac{m(Cu)}{m(смеси)} \cdot 100\% = \frac{128\ г}{208\ г} \cdot 100\% \approx 61,54\%$

$w(CuO) = \frac{m(CuO)}{m(смеси)} \cdot 100\% = \frac{80\ г}{208\ г} \cdot 100\% \approx 38,46\%$

Ответ: Массовая доля меди в смеси составляет $61,54\%$, массовая доля оксида меди(II) - $38,46\%$.

Определение объёма 60%-ной азотной кислоты

Азотная кислота расходуется в обеих реакциях. Рассчитаем общее количество вещества $HNO_3$, затраченное на реакции.

Количество вещества кислоты, пошедшей на реакцию с медью (реакция 1):

Из уравнения $Cu + 4HNO_3 \rightarrow ...$ следует, что $n_1(HNO_3) : n(Cu) = 4 : 1$.

$n_1(HNO_3) = 4 \cdot n(Cu) = 4 \cdot 2\ моль = 8\ моль$

Количество вещества кислоты, пошедшей на реакцию с оксидом меди(II) (реакция 2):

Сначала найдем количество вещества $CuO$. Молярная масса $CuO$ составляет $M(CuO) = 64 + 16 = 80\ г/моль$.

$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{80\ г}{80\ г/моль} = 1\ моль$

Из уравнения $CuO + 2HNO_3 \rightarrow ...$ следует, что $n_2(HNO_3) : n(CuO) = 2 : 1$.

$n_2(HNO_3) = 2 \cdot n(CuO) = 2 \cdot 1\ моль = 2\ моль$

Общее количество вещества азотной кислоты:

$n_{общ}(HNO_3) = n_1(HNO_3) + n_2(HNO_3) = 8\ моль + 2\ моль = 10\ моль$

Найдем массу чистой азотной кислоты. Молярная масса $HNO_3$ составляет $M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63\ г/моль$.

$m(HNO_3) = n_{общ}(HNO_3) \cdot M(HNO_3) = 10\ моль \cdot 63\ г/моль = 630\ г$

Теперь найдем массу 60%-го раствора азотной кислоты:

$m(р-ра\ HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{w(HNO_3)} = \frac{630\ г}{0,60} = 1050\ г$

Наконец, используя плотность, найдем объем раствора:

$V(р-ра\ HNO_3) = \frac{m(р-ра\ HNO_3)}{\rho(р-ра\ HNO_3)} = \frac{1050\ г}{1,20\ г/мл} = 875\ мл$

Ответ: Объём затраченной 60%-ной азотной кислоты равен $875\ мл$.

1. Щелочные металлы — это элементы -группы Периодической системы. Запишите их химические знаки и названия: ___

1. Щелочные металлы — это химические элементы, которые относятся к IА-группе (первая группа, главная подгруппа) Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. По современной международной номенклатуре (ИЮПАК) это группа 1. Таким образом, в квадраты следует вписать "I" и "А".

К щелочным металлам относятся шесть элементов, расположенных в IА-группе, начиная со второго периода. Необходимо перечислить их химические знаки и русские названия. Это: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). Водород (H), который также часто размещают в этой группе, не является щелочным металлом.

Ответ: Щелочные металлы — это элементы IА-группы Периодической системы. Их химические знаки и названия: Li — литий, Na — натрий, K — калий, Rb — рубидий, Cs — цезий, Fr — франций.

2. Сверху вниз в IA-группе изменяются:

а) радиус атома

б) плотность

в) температура плавления

г) восстановительные свойства

Решение

Рассмотрим изменение свойств элементов IA-группы (щелочных металлов: литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr)) при движении по группе сверху вниз в периодической системе.

а) радиус атома
При движении по группе сверху вниз с каждым новым элементом добавляется новый энергетический уровень (электронный слой). Из-за этого валентные электроны находятся все дальше от ядра. Несмотря на одновременное увеличение заряда ядра, эффект увеличения числа электронных слоев преобладает. В результате атомный радиус закономерно увеличивается.
Ответ: увеличивается.

б) плотность
Плотность определяется как отношение массы к объему ($ρ = m/V$). С ростом порядкового номера в группе увеличиваются и атомная масса, и атомный объем (связанный с радиусом). У щелочных металлов атомная масса растет быстрее, чем объем, поэтому общая тенденция — увеличение плотности. Однако есть исключение: калий ($ρ_{K} = 0,86 \text{ г/см}^3$) имеет меньшую плотность, чем натрий ($ρ_{Na} = 0,97 \text{ г/см}^3$), что связано с аномально большим увеличением его атомного радиуса.
Ответ: в целом увеличивается (за исключением калия, который легче натрия).

в) температура плавления
Щелочные металлы в твердом состоянии образуют металлическую кристаллическую решетку. Прочность металлической связи, которая удерживает атомы вместе, зависит от силы притяжения между положительными ионами в узлах решетки и "морем" обобществленных электронов. По мере движения вниз по группе радиус атомов увеличивается, расстояние между ядрами и валентными электронами растет, что приводит к ослаблению металлической связи. Поэтому для разрушения решетки (плавления) требуется меньше энергии.
Ответ: уменьшается.

г) восстановительные свойства
Восстановительные свойства характеризуют способность атома отдавать электроны. Эта способность обратно пропорциональна энергии ионизации (энергии, необходимой для отрыва внешнего электрона). При движении сверху вниз по группе IA-группе увеличивается радиус атома, и валентный электрон оказывается дальше от ядра и сильнее экранируется внутренними электронными слоями. Это ослабляет его связь с ядром, и энергия ионизации уменьшается. Чем легче атом отдает электрон, тем он является более сильным восстановителем.
Ответ: усиливаются.

3. Химические свойства простых веществ описываются общим уравнением

$M^0 - \square \bar{e} \to M^{\square+}$, где M — металл

1) Взаимодействие с неметаллами

а) с галогенами:

$M + Cl_2 = \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

б) с серой:

$M + S = \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

в) с азотом:

$M + N_2 = \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

г) с кислородом:

$Li + O_2 = \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

$Na + O_2 = \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

Хранят под слоем керосина, кроме $\square\square$, который хранят под слоем $\text{__________}$.

2) Взаимодействие с водой

$M + HOH = \text{__________} + \text{__________}$

$\begin{array}{c} \boxed{\quad} \\ \uparrow \\ \bar{e} \end{array}$

Общее уравнение, описывающее химические свойства щелочных металлов (M) как восстановителей, выглядит следующим образом:

$M^0 - 1\bar{e} \rightarrow M^{1+}$

Это означает, что атом металла (M), имеющий степень окисления 0, отдает один электрон ($\bar{e}$) и превращается в положительно заряженный ион (катион) с зарядом +1.

1) Взаимодействие с неметаллами

а) с галогенами:

Щелочные металлы (M) активно реагируют с галогенами, такими как хлор ($Cl_2$), образуя соли — галогениды (в данном случае хлориды). В этой реакции металл выступает в роли восстановителя, отдавая один электрон, а хлор — в роли окислителя, принимая электроны.

Уравнение реакции: $2M + Cl_2 = 2MCl$

Схема переноса электронов показывает, что каждый атом металла M отдает 1 электрон: $M^0 - 1\bar{e} \rightarrow M^{+1}$.

Ответ: В пропуск в уравнении реакции следует вписать $2MCl$. В рамку под уравнением, обозначающую число переданных электронов от одного атома металла, следует вписать 1.

б) с серой:

При нагревании щелочные металлы реагируют с серой (S), образуя сульфиды. Металл также является восстановителем, отдавая один электрон.

Уравнение реакции: $2M + S = M_2S$

Схема переноса электронов: $M^0 - 1\bar{e} \rightarrow M^{+1}$.

Ответ: В пропуск в уравнении реакции следует вписать $M_2S$. В рамку под уравнением следует вписать 1.

в) с азотом:

Из всех щелочных металлов только литий реагирует с азотом ($N_2$) при комнатной температуре. Остальные металлы этой группы реагируют с азотом при нагревании. В результате образуются нитриды.

Уравнение реакции: $6M + N_2 = 2M_3N$

Схема переноса электронов: $M^0 - 1\bar{e} \rightarrow M^{+1}$.

Ответ: В пропуск в уравнении реакции следует вписать $2M_3N$. В рамку под уравнением следует вписать 1.

г) с кислородом:

Продукты реакции щелочных металлов с кислородом ($O_2$) различаются. Литий образует оксид, натрий — пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды (супероксиды).

Реакция лития с кислородом: $4Li + O_2 = 2Li_2O$ (оксид лития). В этой реакции каждый атом лития отдает один электрон: $Li^0 - 1\bar{e} \rightarrow Li^{+1}$.

Реакция натрия с кислородом: $2Na + O_2 = Na_2O_2$ (пероксид натрия). Каждый атом натрия также отдает один электрон: $Na^0 - 1\bar{e} \rightarrow Na^{+1}$.

Ответ: В пропуск в уравнении с литием следует вписать $2Li_2O$, а в рамку под ним — 1. В пропуск в уравнении с натрием следует вписать $Na_2O_2$, а в рамку под ним — 1.

Щелочные металлы очень активны, поэтому для предотвращения их реакции с компонентами воздуха (кислородом, парами воды, азотом) их хранят под слоем инертной жидкости. Обычно для этих целей используют керосин. Однако литий имеет очень низкую плотность (0,53 г/см³), которая меньше плотности керосина (около 0,8 г/см³), поэтому он будет плавать на его поверхности. В связи с этим литий хранят под слоем вазелинового или минерального масла, плотность которых ниже.

Ответ: Хранят под слоем керосина, кроме лития, который хранят под слоем вазелинового масла.

2) Взаимодействие с водой

Щелочные металлы бурно, часто со взрывом, реагируют с водой (HOH). В результате реакции образуется соответствующая щелочь (гидроксид металла) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Уравнение реакции: $2M + 2HOH = 2MOH + H_2\uparrow$

В этой окислительно-восстановительной реакции металл отдает один электрон ($M^0 - 1\bar{e} \rightarrow M^{+1}$), а водород в составе воды принимает электрон ($2H^{+1} + 2\bar{e} \rightarrow H_2^0$).

Ответ: В пропуски в уравнении реакции следует вписать $2MOH$ и $H_2$. В рамку под уравнением следует вписать 1.