Страница 76 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Азотная кислота проявляет типичные свойства кислот: реагирует с оксидами металлов, с гидроксидами металлов и солями.

Напишите полные и сокращённые ионные уравнения следующих реакций:

$HNO_3 + Cu(OH)_2 = \text{______} + \text{______}$

$HNO_3 + Fe_2O_3 = \text{______} + \text{______}$

$HNO_3 + Na_2CO_3 = \text{______} + \text{______}$

1) $HNO_3 + Cu(OH)_2$

Решение:

Это реакция нейтрализации между сильной азотной кислотой ($HNO_3$) и нерастворимым основанием — гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). В результате реакции образуются соль нитрат меди(II) ($Cu(NO_3)_2$) и вода ($H_2O$).

Сначала запишем и уравняем молекулярное уравнение реакции:

$2HNO_3 + Cu(OH)_2 = Cu(NO_3)_2 + 2H_2O$

Далее составим полное ионное уравнение. Азотная кислота — сильный электролит, диссоциирует на ионы. Гидроксид меди(II) — нерастворимое в воде основание, поэтому в ионных уравнениях его записывают в молекулярной форме. Нитрат меди(II) — растворимая соль, диссоциирует на ионы. Вода — слабый электролит, записывается в молекулярной форме.

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + 2NO_3^- + Cu(OH)_2 = Cu^{2+} + 2NO_3^- + 2H_2O$

Для получения сокращённого ионного уравнения необходимо исключить из обеих частей полного ионного уравнения одинаковые ионы (ионы-наблюдатели), в данном случае это нитрат-ионы ($NO_3^-$).

Сокращённое ионное уравнение:

$2H^+ + Cu(OH)_2 = Cu^{2+} + 2H_2O$

Ответ:

Полное ионное уравнение: $2H^+ + 2NO_3^- + Cu(OH)_2 = Cu^{2+} + 2NO_3^- + 2H_2O$

Сокращённое ионное уравнение: $2H^+ + Cu(OH)_2 = Cu^{2+} + 2H_2O$

2) $HNO_3 + Fe_2O_3$

Решение:

Это реакция обмена между сильной азотной кислотой ($HNO_3$) и основным оксидом — оксидом железа(III) ($Fe_2O_3$). В результате реакции образуются соль нитрат железа(III) ($Fe(NO_3)_3$) и вода ($H_2O$).

Молекулярное уравнение реакции после уравнивания:

$6HNO_3 + Fe_2O_3 = 2Fe(NO_3)_3 + 3H_2O$

Составим полное ионное уравнение. Азотная кислота — сильный электролит. Оксид железа(III) — нерастворимое в воде твёрдое вещество. Нитрат железа(III) — растворимая соль. Вода — слабый электролит.

Полное ионное уравнение:

$6H^+ + 6NO_3^- + Fe_2O_3 = 2Fe^{3+} + 6NO_3^- + 3H_2O$

Сокращаем ионы-наблюдатели ($NO_3^-$) для получения сокращённого ионного уравнения.

Сокращённое ионное уравнение:

$6H^+ + Fe_2O_3 = 2Fe^{3+} + 3H_2O$

Ответ:

Полное ионное уравнение: $6H^+ + 6NO_3^- + Fe_2O_3 = 2Fe^{3+} + 6NO_3^- + 3H_2O$

Сокращённое ионное уравнение: $6H^+ + Fe_2O_3 = 2Fe^{3+} + 3H_2O$

3) $HNO_3 + Na_2CO_3$

Решение:

Это реакция обмена между сильной азотной кислотой ($HNO_3$) и солью слабой угольной кислоты — карбонатом натрия ($Na_2CO_3$). Сильная кислота вытесняет более слабую летучую кислоту из её соли. Образующаяся в ходе реакции угольная кислота ($H_2CO_3$) очень неустойчива и распадается на углекислый газ ($CO_2$) и воду ($H_2O$). Также образуется соль нитрат натрия ($NaNO_3$).

Молекулярное уравнение реакции:

$2HNO_3 + Na_2CO_3 = 2NaNO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$

Составим полное ионное уравнение. Азотная кислота, карбонат натрия и нитрат натрия — сильные электролиты (сильная кислота и растворимые соли), они диссоциируют на ионы. Углекислый газ (газ) и вода (слабый электролит) записываются в молекулярной форме.

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + 2NO_3^- + 2Na^+ + CO_3^{2-} = 2Na^+ + 2NO_3^- + CO_2\uparrow + H_2O$

Ионами-наблюдателями в данной реакции являются катионы натрия ($Na^+$) и нитрат-ионы ($NO_3^-$). Сократив их, получим сокращённое ионное уравнение.

Сокращённое ионное уравнение:

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

Ответ:

Полное ионное уравнение: $2H^+ + 2NO_3^- + 2Na^+ + CO_3^{2-} = 2Na^+ + 2NO_3^- + CO_2\uparrow + H_2O$

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

5. За счёт азота в степени окисления +5 азотная кислота $HNO_3$ проявляет сильные окислительные свойства:

$\stackrel{+5}{HNO_3}$

$N_2 + \square e^-$

$NO + \square e^-$

$N_2O + \square e^-$

$NO_2 + \square e^-$

$NH_3(NH_4NO_3) + \square e^-$

В задаче требуется определить количество электронов ($e^−$), принимаемых атомом азота в степени окисления +5 ($N^{+5}$), который входит в состав азотной кислоты $HNO_3$, при его восстановлении до различных соединений. Для этого необходимо определить степень окисления азота в каждом из продуктов реакции и рассчитать разницу.

N₂
Начальная степень окисления азота в $HNO_3$ равна +5. В простом веществе, молекулярном азоте $N_2$, степень окисления азота равна 0. Процесс восстановления для одного атома азота: $N^{+5} + 5e^− \rightarrow N^0$. Поскольку продукт реакции – двухатомная молекула $N_2$, в процессе участвуют два атома азота, которые суммарно принимают $2 \times 5 = 10$ электронов. Полуреакция восстановления: $2N^{+5} + 10e^− \rightarrow N_2^0$.
Ответ: 10

NO
В оксиде азота(II) $NO$ степень окисления кислорода –2, следовательно, степень окисления азота равна +2. Изменение степени окисления: от +5 до +2. Атом азота принимает $5 - 2 = 3$ электрона. Полуреакция восстановления: $N^{+5} + 3e^− \rightarrow N^{+2}$.
Ответ: 3

N₂O
В оксиде азота(I) $N_2O$ степень окисления кислорода –2, следовательно, степень окисления каждого из двух атомов азота равна +1. Изменение степени окисления для одного атома: от +5 до +1. Один атом азота принимает $5 - 1 = 4$ электрона. Поскольку молекула $N_2O$ содержит два атома азота, суммарно принимается $2 \times 4 = 8$ электронов. Полуреакция восстановления: $2N^{+5} + 8e^− \rightarrow N_2^{+1}O$.
Ответ: 8

NO₂
В оксиде азота(IV) $NO_2$ степень окисления кислорода –2, следовательно, степень окисления азота равна +4. Изменение степени окисления: от +5 до +4. Атом азота принимает $5 - 4 = 1$ электрон. Полуреакция восстановления: $N^{+5} + 1e^− \rightarrow N^{+4}$.
Ответ: 1

NH₃(NH₄NO₃)
В аммиаке $NH_3$ или в ионе аммония $NH_4^+$ (который образуется при реакции аммиака с кислотой и входит в состав нитрата аммония $NH_4NO_3$) степень окисления водорода +1. Следовательно, степень окисления азота равна –3. Изменение степени окисления: от +5 до –3. Атом азота принимает $5 - (-3) = 8$ электронов. Полуреакция восстановления: $N^{+5} + 8e^− \rightarrow N^{-3}$.
Ответ: 8

Азотистую кислоту в свободном состоянии получить не удаётся, так как она обратимо диссоциирует:

На изображении приведена предпосылка к задаче о химическом равновесии. Азотистая кислота ($HNO_2$), существующая только в разбавленных водных растворах, неустойчива и самопроизвольно диспропорционирует (обратимо диссоциирует) по следующему уравнению:

$3HNO_2 \rightleftharpoons HNO_3 + 2NO + H_2O$

Для решения полной задачи, которая обычно сопровождает это условие, необходимо рассчитать равновесные концентрации всех веществ. Предположим, что полная формулировка задачи следующая: "Вычислите равновесные концентрации всех веществ в растворе, полученном при растворении 4,7 г нитрита натрия в 100 мл 0,5 М раствора соляной кислоты. Константа равновесия реакции диспропорционирования равна 30. Объем раствора считать равным 100 мл."

$m(NaNO_2) = 4,7 \text{ г}$
$V(р-ра HCl) = 100 \text{ мл}$
$C_M(HCl) = 0,5 \text{ моль/л}$
$V_{общий} = 100 \text{ мл}$
$K_c = 30$

Перевод в СИ:
$V(р-ра HCl) = 100 \text{ мл} = 0,1 \text{ л}$
$V_{общий} = 100 \text{ мл} = 0,1 \text{ л}$

$[HNO_2]_{равн} - ?$
$[HNO_3]_{равн} - ?$
$[NO]_{равн} - ?$

1. При смешивании растворов нитрита натрия и соляной кислоты происходит реакция ионного обмена, в результате которой образуется азотистая кислота:
$NaNO_2 + HCl \rightarrow HNO_2 + NaCl$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) исходных реагентов.
Молярная масса нитрита натрия:
$M(NaNO_2) = 23 + 14 + 2 \cdot 16 = 69 \text{ г/моль}$
Количество вещества нитрита натрия:
$n(NaNO_2) = \frac{m(NaNO_2)}{M(NaNO_2)} = \frac{4,7 \text{ г}}{69 \text{ г/моль}} \approx 0,0681 \text{ моль}$
Количество вещества соляной кислоты:
$n(HCl) = C_M(HCl) \cdot V(р-ра HCl) = 0,5 \text{ моль/л} \cdot 0,1 \text{ л} = 0,05 \text{ моль}$

3. Определим лимитирующий реагент. Согласно уравнению реакции, реагенты взаимодействуют в стехиометрическом соотношении 1:1.
Поскольку $n(HCl) = 0,05 \text{ моль} < n(NaNO_2) = 0,0681 \text{ моль}$, соляная кислота находится в недостатке и прореагирует полностью. Расчеты будем вести по ней.
Количество образовавшейся азотистой кислоты равно количеству соляной кислоты:
$n(HNO_2)_{исх} = n(HCl) = 0,05 \text{ моль}$

4. Рассчитаем начальную концентрацию азотистой кислоты в общем объеме раствора 100 мл (0,1 л):
$C(HNO_2)_{исх} = \frac{n(HNO_2)_{исх}}{V_{общий}} = \frac{0,05 \text{ моль}}{0,1 \text{ л}} = 0,5 \text{ моль/л}$

5. Далее азотистая кислота диссоциирует (диспропорционирует) до установления равновесия:
$3HNO_2 \rightleftharpoons HNO_3 + 2NO + H_2O$
Для нахождения равновесных концентраций составим таблицу. Пусть $x$ моль/л – концентрация $HNO_3$, образовавшейся к моменту равновесия. Тогда, согласно стехиометрии, израсходуется $3x$ моль/л $HNO_2$ и образуется $2x$ моль/л $NO$.

Исходные концентрации:
$[HNO_2]_{исх} = 0,5 \text{ моль/л}$
$[HNO_3]_{исх} = 0 \text{ моль/л}$
$[NO]_{исх} = 0 \text{ моль/л}$

Равновесные концентрации:
$[HNO_2]_{равн} = 0,5 - 3x$
$[HNO_3]_{равн} = x$
$[NO]_{равн} = 2x$

6. Запишем выражение для константы равновесия $K_c$. Концентрация воды, как растворителя, является постоянной величиной и не включается в выражение.
$K_c = \frac{[HNO_3] \cdot [NO]^2}{[HNO_2]^3} = 30$
Подставим равновесные концентрации в выражение:
$30 = \frac{x \cdot (2x)^2}{(0,5 - 3x)^3} = \frac{4x^3}{(0,5 - 3x)^3}$

7. Решим полученное уравнение относительно $x$.
$\frac{30}{4} = \left(\frac{2x}{2(0,5 - 3x)}\right)^3 = \frac{4x^3}{(0,5-3x)^3} = 4 \left( \frac{x}{0,5 - 3x} \right)^3$
$\frac{30}{4} = 7,5 = \left(\frac{x}{0,5 - 3x}\right)^3$
Извлечем кубический корень из обеих частей уравнения:
$\sqrt[3]{7,5} = \frac{x}{0,5 - 3x}$
$1,9574 \approx \frac{x}{0,5 - 3x}$
$1,9574 \cdot (0,5 - 3x) = x$
$0,9787 - 5,8722x = x$
$0,9787 = x + 5,8722x$
$0,9787 = 6,8722x$
$x = \frac{0,9787}{6,8722} \approx 0,1424 \text{ моль/л}$

8. Теперь рассчитаем равновесные концентрации всех веществ.
$[HNO_3]_{равн} = x \approx 0,142 \text{ моль/л}$
$[NO]_{равн} = 2x = 2 \cdot 0,1424 \approx 0,285 \text{ моль/л}$
$[HNO_2]_{равн} = 0,5 - 3x = 0,5 - 3 \cdot 0,1424 = 0,5 - 0,4272 \approx 0,073 \text{ моль/л}$

Ответ: Равновесные концентрации веществ в растворе составляют: $[HNO_2] \approx 0,073 \text{ моль/л}$; $[HNO_3] \approx 0,142 \text{ моль/л}$; $[NO] \approx 0,285 \text{ моль/л}$.

7. За счёт атома азота в промежуточной степени окисления +3 азотистая кислота проявляет:

a) _______________ свойства

$HNO_2 + O_2 = $ _______________

б) _______________ свойства

$HNO_2 + HI = I_2 \downarrow + NO \uparrow + $ _______________

Дано:

Азотистая кислота ($HNO_2$) со степенью окисления азота +3.

Реакция а): $HNO_2 + O_2 = ...$

Реакция б): $HNO_2 + HI = I_2 \downarrow + NO \uparrow + ...$

Найти:

а) Определить свойство, проявляемое $HNO_2$, и написать полное уравнение реакции.

б) Определить свойство, проявляемое $HNO_2$, и написать полное уравнение реакции.

Решение:

Атом азота в азотистой кислоте ($H\overset{+3}{N}O_2$) имеет промежуточную степень окисления +3. Высшая степень окисления азота +5, а низшие могут доходить до -3. Благодаря этому азотистая кислота может проявлять двойственные окислительно-восстановительные свойства: она может быть как окислителем (понижая степень окисления азота), так и восстановителем (повышая степень окисления азота).

a) В реакции с кислородом ($O_2$), который является сильным окислителем, азотистая кислота будет выступать в роли восстановителя. При этом азот повысит свою степень окисления с +3 до максимальной +5, образуя азотную кислоту ($HNO_3$).

Схема изменения степеней окисления:

$\overset{+3}{N} - 2e^- \rightarrow \overset{+5}{N}$ (окисление, $HNO_2$ – восстановитель)

$\overset{0}{O_2} + 4e^- \rightarrow 2\overset{-2}{O}$ (восстановление, $O_2$ – окислитель)

Запишем и уравняем уравнение реакции:

$2HNO_2 + O_2 = 2HNO_3$

Таким образом, в данной реакции азотистая кислота проявляет восстановительные свойства.

Ответ: восстановительные свойства; $2HNO_2 + O_2 = 2HNO_3$.

б) В реакции с иодоводородной кислотой ($HI$), которая является сильным восстановителем, азотистая кислота будет выступать в роли окислителя. При этом азот понизит свою степень окисления с +3 до +2 (в оксиде азота(II), $NO$), а иод повысит свою степень окисления с -1 до 0 (в простом веществе $I_2$).

Схема изменения степеней окисления:

$\overset{+3}{N} + 1e^- \rightarrow \overset{+2}{N}$ (восстановление, $HNO_2$ – окислитель)

$2\overset{-1}{I} - 2e^- \rightarrow \overset{0}{I_2}$ (окисление, $HI$ – восстановитель)

Для баланса электронов необходимо первую полуреакцию умножить на 2. Расставим коэффициенты и уравняем реакцию, добавив в продукты воду ($H_2O$) для баланса атомов водорода и кислорода:

$2HNO_2 + 2HI = I_2 \downarrow + 2NO \uparrow + 2H_2O$

Таким образом, в данной реакции азотистая кислота проявляет окислительные свойства.

Ответ: окислительные свойства; $2HNO_2 + 2HI = I_2 \downarrow + 2NO \uparrow + 2H_2O$.