Страница 55 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

2. Строение атомов халькогенов.

8___, $\bar{e}$, $\bar{e}$ у___ = -___, ___, +___, +___

степень окисления

16___, $\bar{e}$, ___ $\bar{e}$, ___ $\bar{e}$ у___ = -___, ___, +___, +___

Атом с Z=8 (Кислород)

Решение:

Атом кислорода ($O$) имеет порядковый номер 8, следовательно, у него 8 электронов. Его электронная конфигурация записывается как $1s^22s^22p^4$. Электроны распределяются по двум энергетическим уровням (электронным оболочкам): 2 электрона находятся на первом уровне, а 6 электронов — на втором (внешнем) уровне.

Кислород является одним из самых электроотрицательных элементов. Его основные степени окисления:

• -2: Наиболее характерная степень окисления, которую кислород проявляет в большинстве соединений (например, в воде $H_2O$ и оксидах), принимая 2 электрона для завершения внешней оболочки.
• 0: Степень окисления в простом веществе — молекулярном кислороде $O_2$ или озоне $O_3$.
• +1 и +2: Положительные степени окисления кислород может проявлять только в соединениях с фтором, единственным элементом, обладающим большей электроотрицательностью. Например, +1 в $O_2F_2$ и +2 в $OF_2$.

Схема в задании предполагает четыре значения степени окисления: одно отрицательное, одно нулевое и два положительных. Этому набору соответствуют значения -2, 0, +1, +2.

Ответ:
$ _8O \quad 2\bar{e}, 6\bar{e} $
Степень окисления у O = -2, 0, +1, +2

Атом с Z=16 (Сера)

Решение:

Атом серы ($S$) имеет порядковый номер 16, что соответствует 16 электронам. Его электронная конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^4$. Электроны распределены по трём энергетическим уровням: 2 электрона на первом, 8 электронов на втором и 6 электронов на третьем (внешнем) уровне.

Сера, как и кислород, имеет 6 валентных электронов, но она менее электроотрицательна и, что важно, имеет свободные d-орбитали на третьем энергетическом уровне. Это позволяет атому серы переходить в возбужденные состояния и проявлять различные положительные степени окисления. Основные степени окисления серы:

• -2: Низшая степень окисления, проявляется при присоединении двух электронов (например, в сероводороде $H_2S$ и сульфидах).
• 0: Степень окисления в простом веществе (например, в молекуле $S_8$).
• +2: Возможная степень окисления, соответствующая двум неспаренным p-электронам в основном состоянии атома (например, в $SCl_2$).
• +4: Проявляется в возбужденном состоянии, когда у атома 4 неспаренных электрона (например, в оксиде серы(IV) $SO_2$).
• +6: Высшая степень окисления, проявляется в возбужденном состоянии с 6 неспаренными электронами (например, в оксиде серы(VI) $SO_3$ и серной кислоте $H_2SO_4$).

Схема в задании для серы предполагает пять значений степени окисления: одно отрицательное, одно нулевое и три положительных, что точно соответствует набору -2, 0, +2, +4, +6.

Ответ:
$ _{16}S \quad 2\bar{e}, 8\bar{e}, 6\bar{e} $
Степень окисления у S = -2, 0, +2, +4, +6

3. Аллотропные модификации серы — это сера и сера.

3. Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти простые вещества называются аллотропными модификациями или аллотропами. Сера является одним из классических примеров элемента, образующего несколько аллотропных модификаций.

Наиболее известными и устойчивыми являются две кристаллические модификации серы, названия которых подходят по количеству букв для заполнения пропусков в задании (11 и 12 букв соответственно).

Ромбическая сера ($S_α$). Это наиболее устойчивая модификация серы при нормальных условиях (точнее, при температурах ниже 95,6 °C). Она представляет собой хрупкие кристаллы лимонно-желтого цвета. В основе её кристаллической решётки лежат циклические молекулы $S_8$, имеющие форму короны. Ромбическая сера нерастворима в воде, но растворима в сероуглероде ($CS_2$). Название "ромбическая" состоит из 11 букв (р-о-м-б-и-ч-е-с-к-а-я), что соответствует количеству клеток в первом пропуске.

Моноклинная сера ($S_β$). Данная модификация устойчива в интервале температур от 95,6 °C до температуры плавления (около 119 °C). Она образует игольчатые кристаллы светло-жёлтого цвета. Моноклинная сера, как и ромбическая, состоит из молекул $S_8$, но они имеют иную упаковку в кристалле, образуя моноклинную решётку. При охлаждении ниже 95,6 °C она медленно превращается в более стабильную ромбическую форму. Название "моноклинная" состоит из 12 букв (м-о-н-о-к-л-и-н-н-а-я), что соответствует количеству клеток во втором пропуске.

Кроме этих кристаллических форм, существует также пластическая сера ($S_γ$). Это аморфная (некристаллическая) модификация, которую получают при резком охлаждении расплава серы. Она эластична, похожа на каучук, но неустойчива и со временем самопроизвольно переходит в стабильную ромбическую форму.

Таким образом, в пропуски в задании необходимо вписать названия двух основных кристаллических аллотропных модификаций серы.

Ответ: Аллотропные модификации серы — это ромбическая сера и моноклинная сера.

4. Окислительные свойства серы

1) Взаимодействие с металлами:

$ \text{Fe} + \text{S} \substack{\uparrow \\ \boxed{\phantom{X}}\bar{e}} = \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ $

$ \text{Al} + \text{S} \substack{\uparrow \\ \boxed{\phantom{X}}\bar{e}} = \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ $

$ \text{Hg} + \text{S} \substack{\uparrow \\ \boxed{\phantom{X}}\bar{e}} = \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ $

2) Взаимодействие с водородом:

$ \text{S} \substack{\uparrow \\ \boxed{\phantom{X}}\bar{e}} + \text{H}_2 \rightleftharpoons \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ \_ $

1) Взаимодействие с металлами:

В реакциях с металлами сера, как более электроотрицательный элемент, проявляет окислительные свойства, принимая электроны и понижая свою степень окисления от 0 до -2. Металлы выступают в роли восстановителей, отдавая электроны.

$Fe + S \xrightarrow{t} FeS$
При нагревании железо реагирует с серой с образованием сульфида железа(II).
Рассмотрим электронный баланс:
$Fe^0 - 2\bar{e} \rightarrow Fe^{+2}$ | 1 (железо - восстановитель)
$S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{-2}$ | 1 (сера - окислитель)
Атом железа отдает 2 электрона, а атом серы их принимает. На схеме показан переход 2 электронов.
Ответ: $Fe + S = FeS$. В рамке следует указать число 2.

$2Al + 3S \xrightarrow{t} Al_2S_3$
При сплавлении алюминия с серой образуется сульфид алюминия.
Рассмотрим электронный баланс:
$Al^0 - 3\bar{e} \rightarrow Al^{+3}$ | 2 (алюминий - восстановитель)
$S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{-2}$ | 3 (сера - окислитель)
Каждый атом алюминия отдает 3 электрона. Схема на изображении иллюстрирует процесс для одного атома алюминия.
Ответ: $2Al + 3S = Al_2S_3$. В рамке следует указать число 3.

$Hg + S \rightarrow HgS$
Ртуть реагирует с серой даже при комнатной температуре (при растирании), образуя сульфид ртути(II), также известный как киноварь.
Рассмотрим электронный баланс:
$Hg^0 - 2\bar{e} \rightarrow Hg^{+2}$ | 1 (ртуть - восстановитель)
$S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{-2}$ | 1 (сера - окислитель)
Атом ртути отдает 2 электрона, которые принимает атом серы.
Ответ: $Hg + S = HgS$. В рамке следует указать число 2.

2) Взаимодействие с водородом:

$S + H_2 \rightleftharpoons H_2S$
Водород менее электроотрицателен, чем сера, поэтому в реакции с серой он выступает в качестве восстановителя, а сера — окислителя. Реакция обратима и протекает при нагревании, приводя к образованию сероводорода.
Рассмотрим электронный баланс:
$H_2^0 - 2\bar{e} \rightarrow 2H^{+1}$ | 1 (водород - восстановитель)
$S^0 + 2\bar{e} \rightarrow S^{-2}$ | 1 (сера - окислитель)
Атом серы принимает 2 электрона от молекулы водорода.
Ответ: $S + H_2 \rightleftharpoons H_2S$. В рамке следует указать число 2.

5. Восстановительные свойства серы

1) Взаимодействие с кислородом:

$S + O_2 = \rule{2cm}{0.4pt}$

$\boxed{\phantom{X}}\ \bar{e}$

2) Взаимодействие с хлором:

$S + Cl_2 = \rule{2cm}{0.4pt}$

$\boxed{\phantom{X}}\ \bar{e}$

3) Взаимодействие со сложными веществами:

$S + KClO_3 = \rule{2cm}{0.4pt} + \rule{2cm}{0.4pt}$

1) Взаимодействие с кислородом:
При взаимодействии с кислородом сера, как менее электроотрицательный элемент, проявляет восстановительные свойства, то есть отдает электроны. Кислород является окислителем. В результате реакции горения серы на воздухе или в кислороде образуется оксид серы(IV) (сернистый газ).
Уравнение реакции выглядит следующим образом:
$S + O_2 = SO_2$
В этой реакции сера изменяет степень окисления с 0 до +4, отдавая 4 электрона. Кислород изменяет степень окисления с 0 до -2, принимая эти электроны.
Схема электронного баланса:
$S^0 - 4\bar{e} \rightarrow S^{+4}$ (восстановитель, окисление)
$O_2^0 + 4\bar{e} \rightarrow 2O^{-2}$ (окислитель, восстановление)
Из схемы видно, что от атома серы к молекуле кислорода переходит 4 электрона.
Ответ: $S + O_2 = SO_2$. В рамке на схеме следует вписать число 4.

2) Взаимодействие с хлором:
Хлор является более электроотрицательным элементом, чем сера, поэтому в реакции с ним сера будет восстановителем (будет окисляться), а хлор — окислителем (будет восстанавливаться). В зависимости от условий могут образовываться различные соединения, например, дихлорид серы ($SCl_2$).
Уравнение реакции:
$S + Cl_2 = SCl_2$
Определим степени окисления и составим электронный баланс. Сера повышает степень окисления с 0 до +2, а хлор понижает с 0 до -1.
Схема электронного баланса:
$S^0 - 2\bar{e} \rightarrow S^{+2}$ (восстановитель, окисление)
$Cl_2^0 + 2\bar{e} \rightarrow 2Cl^{-1}$ (окислитель, восстановление)
Таким образом, атом серы отдает 2 электрона молекуле хлора.
Ответ: $S + Cl_2 = SCl_2$. В рамке на схеме следует вписать число 2.

3) Взаимодействие со сложными веществами:
Сера может проявлять восстановительные свойства в реакциях с сильными окислителями, такими как хлорат калия ($KClO_3$). В этой окислительно-восстановительной реакции сера будет окисляться, а хлор, имеющий в хлорате степень окисления +5, будет восстанавливаться.
Продуктами данной реакции (при нагревании) являются оксид серы(IV) и хлорид калия. Составим уравнение реакции, используя метод электронного баланса.
Определим степени окисления элементов, участвующих в реакции:
$S^0 + K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} \rightarrow S^{+4}O_2^{-2} + K^{+1}Cl^{-1}$
Составим полуреакции окисления и восстановления:
$S^0 - 4\bar{e} \rightarrow S^{+4}$ | 3 (процесс окисления, сера — восстановитель)
$Cl^{+5} + 6\bar{e} \rightarrow Cl^{-1}$ | 2 (процесс восстановления, хлор — окислитель)
Находим наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (4 и 6), оно равно 12. Это позволяет нам расставить коэффициенты в уравнении. Перед веществами, содержащими серу, ставим коэффициент 3, а перед веществами, содержащими хлор, — 2.
Итоговое уравнение реакции:
$3S + 2KClO_3 = 3SO_2 + 2KCl$
Ответ: $3S + 2KClO_3 = 3SO_2 + 2KCl$.

Часть II

1. Заполните таблицу.

Сера в природе

Тип соединения: Формула: Синонимы названия

Самородная сера: :

Сульфиды: :

Сульфаты: :

Самородная сера

Самородная сера — это форма нахождения химического элемента серы ($S$) в природе в свободном, несвязанном виде, то есть в виде простого вещества. Наиболее устойчивая при обычных условиях аллотропная модификация серы состоит из циклических молекул состава $S_8$. В химических формулах и уравнениях самородную серу, как правило, обозначают просто символом элемента.

Ответ: Формула: $S$. Синонимы названия: Элементарная сера.

Сульфиды

Сульфиды — это класс минералов, представляющих собой соединения серы (в степени окисления -2) с более электроположительными элементами, в основном с металлами. Сульфиды являются важнейшими рудами для получения цветных и редких металлов. Примерами широко распространённых сульфидов являются пирит (железный колчедан) с формулой $FeS_2$, галенит (свинцовый блеск) с формулой $PbS$ и сфалерит (цинковая обманка) с формулой $ZnS$.

Ответ: Формула (примеры): $FeS_2$, $PbS$, $ZnS$. Синонимы названия (примеры): Пирит (железный колчедан), галенит (свинцовый блеск), сфалерит (цинковая обманка).

Сульфаты

Сульфаты — это класс минералов, которые являются солями серной кислоты ($H_2SO_4$). В их химической структуре присутствует сульфат-анион ($SO_4^{2-}$). Многие природные сульфаты, такие как гипс ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$), являются кристаллогидратами, то есть содержат в своём составе молекулы воды. Другим распространённым сульфатом является барит (тяжелый шпат) с формулой $BaSO_4$. Некоторые гидратированные сульфаты металлов также известны под общим названием "купоросы".

Ответ: Формула (примеры): $CaSO_4 \cdot 2H_2O$, $BaSO_4$. Синонимы названия (примеры): Гипс, барит (тяжелый шпат).