Страница 92 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

2. Оксид углерода(IV).

а) Формула: , тривиальное название: .

б) Физические свойства:

в) Как типичный кислотный оксид взаимодействует

— с водой: $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons \text{ }$

— со щелочами: $CO_2 + Ca(OH)_2 = \text{ } + \text{ }$

— с основными оксидами: $Na_2O + CO_2 = \text{ }$

г) благодаря атому углерода в степени окисления +4 $CO_2$ про-

являет свойства:

$CO_2 + Mg = \text{ }$

$\uparrow \boxed{\quad \bar{e}}$

$CO_2 + C = \text{ }$

$\uparrow \boxed{\quad \bar{e}}$

а) Оксид углерода(IV) указывает на степень окисления углерода +4. Степень окисления кислорода в оксидах, как правило, равна -2. Для того чтобы молекула была электронейтральной, на один атом углерода ($C^{+4}$) должно приходиться два атома кислорода ($O^{-2}$), поэтому химическая формула вещества — $CO_2$. Тривиальное (исторически сложившееся) название этого оксида — углекислый газ.
Ответ: Формула: $CO_2$, тривиальное название: углекислый газ.

б) Оксид углерода(IV), или углекислый газ, при нормальных условиях является бесцветным газом, который не имеет запаха и обладает слегка кисловатым вкусом. Он примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. Растворимость в воде невысокая (при 20°C и нормальном давлении в 1 объёме воды растворяется около 0,9 объёма $CO_2$). Не поддерживает горение. При атмосферном давлении и температуре -78,5 °C $CO_2$ переходит из твёрдого состояния (известного как "сухой лёд") сразу в газообразное, минуя жидкую фазу.
Ответ: Бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха, малорастворим в воде.

в) Являясь типичным кислотным оксидом, оксид углерода(IV) вступает в реакции, характерные для этого класса соединений:
— с водой: При растворении в воде $CO_2$ обратимо реагирует с ней, образуя слабую, нестабильную угольную кислоту $H_2CO_3$. Равновесие этой реакции сильно смещено влево, в сторону исходных веществ.
$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$
— со щелочами: $CO_2$ реагирует с растворами щелочей (растворимыми основаниями), образуя среднюю или кислую соль и воду. Реакция с гидроксидом кальция $Ca(OH)_2$ (известковой водой) является качественной реакцией на углекислый газ, так как в результате образуется видимый белый осадок карбоната кальция $CaCO_3$.
$CO_2 + Ca(OH)_2 = CaCO_3 \downarrow + H_2O$
— с основными оксидами: $CO_2$ реагирует с оксидами активных металлов (основными оксидами) при сплавлении, образуя соли угольной кислоты — карбонаты.
$Na_2O + CO_2 = Na_2CO_3$
Ответ: $H_2CO_3$; $CaCO_3 \downarrow + H_2O$; $Na_2CO_3$.

г) В молекуле оксида углерода(IV) ($CO_2$) атом углерода находится в своей высшей степени окисления, равной +4. Это означает, что в окислительно-восстановительных реакциях он не может отдавать электроны (то есть окисляться), а может только их принимать (то есть восстанавливаться). Следовательно, $CO_2$ проявляет окислительные свойства.
Он способен окислять сильные восстановители, например, активные металлы (магний) или углерод при высокой температуре.
$CO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^{\circ}} 2MgO + C$
В данной реакции углерод восстанавливается от +4 до 0, принимая 4 электрона ($C^{+4} + 4\bar{e} \rightarrow C^0$). Следовательно, в пустой клетке на схеме восстановления $CO_2$ должно быть число 4.
$CO_2 + C \xrightarrow{t^{\circ}} 2CO$
Эта реакция является реакцией сопропорционирования, где углерод в степени окисления 0 ($C$) является восстановителем, а углерод в степени окисления +4 ($CO_2$) — окислителем. Атом углерода-восстановителя окисляется до +2, отдавая 2 электрона ($C^0 - 2\bar{e} \rightarrow C^{+2}$). Следовательно, в пустой клетке на схеме окисления C должно быть число 2.
Ответ: окислительные; $2MgO + C$; 4; $2CO$; 2.

3. Получение CO₂.

1) В промышленности обжигом известняка:

$CaCO_3 = \text{_______} + \text{_______}$

2) В лаборатории действием кислоты на карбонат кальция (мел, мрамор):

$CaCO_3 + \text{_______} = \text{_______} + \text{_______}$

1) В промышленности обжигом известняка:

Промышленный способ получения углекислого газа ($CO_2$) заключается в термическом разложении (обжиге) известняка, основным компонентом которого является карбонат кальция ($CaCO_3$). При нагревании до высоких температур (около 900 °C) карбонат кальция разлагается на оксид кальция ($CaO$, также известный как негашеная известь) и оксид углерода(IV) ($CO_2$). Уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$

В этом уравнении слева находится один реагент (карбонат кальция), а справа — два продукта (оксид кальция и углекислый газ).

Ответ: $CaCO_3 = CaO + CO_2$

2) В лаборатории действием кислоты на карбонат кальция (мел, мрамор):

В лабораторных условиях углекислый газ получают в результате реакции обмена между карбонатом кальция ($CaCO_3$) и сильной кислотой, например, соляной кислотой ($HCl$). При их взаимодействии образуется соль (хлорид кальция, $CaCl_2$) и угольная кислота ($H_2CO_3$). Однако угольная кислота является очень неустойчивым соединением и практически мгновенно разлагается на воду ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$), который выделяется в виде пузырьков. Поэтому итоговое суммарное уравнение реакции записывают с учётом разложения угольной кислоты, и оно включает три продукта. Уравнение реакции, сбалансированное по количеству атомов каждого элемента, имеет вид:

$CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Здесь в качестве реагентов выступают карбонат кальция и соляная кислота, а в качестве продуктов — хлорид кальция, вода и углекислый газ. Знак стрелки вверх ($\uparrow$) указывает на то, что углекислый газ является газообразным веществом и улетучивается из реакционной смеси.

Ответ: $CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2$

4. Угольную кислоту $H_2CO_3$ относят:

1) по числу атомов водорода — к _____

2) по числу атомов кислорода — к _____

3) по стабильности — к _____

4) по степени диссоциации $\alpha$ — к _____

Угольную кислоту, химическая формула которой $H_2CO_3$, классифицируют по нескольким признакам:

1) по числу атомов водорода

Этот признак определяет основность кислоты, то есть способность её молекулы отдавать ионы водорода (протоны). Кислоты классифицируют как одноосновные, двухосновные, трехосновные и т.д. в зависимости от числа атомов водорода, способных замещаться на металл. Молекула угольной кислоты $H_2CO_3$ содержит два атома водорода, которые могут участвовать в кислотно-основных реакциях. Диссоциация этой кислоты в водном растворе происходит ступенчато:
1-я ступень: $H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$
2-я ступень: $HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}$
Так как молекула кислоты может отдать два протона, её относят к двухосновным кислотам.
Ответ: к двухосновным кислотам.

2) по числу атомов кислорода

По наличию или отсутствию атомов кислорода в молекуле кислоты делят на кислородсодержащие (оксикислоты) и бескислородные. Химическая формула угольной кислоты $H_2CO_3$ показывает, что в состав её молекулы входят три атома кислорода. Следовательно, она является кислородсодержащей кислотой.
Ответ: к кислородсодержащим кислотам.

3) по стабильности

По этому признаку кислоты делят на стабильные (устойчивые) и нестабильные (неустойчивые), то есть легко разлагающиеся при обычных условиях. Угольная кислота $H_2CO_3$ — это очень неустойчивое соединение. Она существует только в разбавленных водных растворах, находясь в равновесии с растворенным углекислым газом. При малейшем нагревании или попытке увеличения концентрации она легко разлагается на воду и углекислый газ, который улетучивается:
$H_2CO_3(aq) \rightleftharpoons H_2O(l) + CO_2(g)$
Поэтому угольную кислоту относят к нестабильным (неустойчивым) кислотам.
Ответ: к нестабильным (неустойчивым) кислотам.

4) по степени диссоциации α

Степень диссоциации α показывает, какая часть молекул кислоты распалась на ионы, и характеризует её силу. По этому признаку кислоты делят на сильные (α > 30% или близка к 100%) и слабые (α < 3%). Угольная кислота является слабой кислотой. В водном растворе она диссоциирует лишь в очень малой степени. Её константа диссоциации по первой ступени ($K_{a1}$) составляет примерно $4.5 \times 10^{-7}$, что указывает на очень низкую степень диссоциации.
Ответ: к слабым кислотам.

5. Угольная кислота образует два ряда солей:

___________ (средние соли) и ___________ (кислые соли)

(стиральная, или техническая, сода)

(питьевая, или пищевая, сода)

Качественной реакцией на соли угольной кислоты служит их взаимодействие с сильными кислотами с выделением __________

$CO_3^{2-} + 2H^+ = \text{_______} + \text{_______}$

$HCO_3^{-} + H^+ = \text{_______} + \text{_______}$

5.

Решение

Для выполнения данного задания необходимо заполнить пропуски, используя знания о свойствах угольной кислоты и её солей.

1. Угольная кислота ($H_2CO_3$) является двухосновной кислотой, поэтому она может образовывать два типа солей: средние (полностью замещенные) и кислые (неполностью замещенные).

• Средние соли угольной кислоты содержат карбонат-ион $CO_3^{2-}$ и носят общее название карбонаты. Это слово из 9 букв, что соответствует первому пропуску.

• Кислые соли угольной кислоты содержат гидрокарбонат-ион $HCO_3^{-}$ и носят общее название гидрокарбонаты. Это слово из 14 букв, что соответствует второму пропуску.

2. Далее необходимо указать химические названия для тривиальных названий солей:

• Стиральная, или техническая, сода — это карбонат натрия с формулой $Na_2CO_3$.

• Питьевая, или пищевая, сода — это гидрокарбонат натрия с формулой $NaHCO_3$.

3. Качественной реакцией на карбонат- и гидрокарбонат-ионы является их взаимодействие с сильными кислотами (например, $HCl$, $H_2SO_4$). В результате этой реакции образуется слабая угольная кислота ($H_2CO_3$), которая неустойчива и сразу разлагается на воду и углекислый газ. Наблюдаемое выделение пузырьков газа является признаком реакции. Таким образом, в пропуск нужно вписать углекислого газа.

4. Завершим ионные уравнения реакций. В обоих случаях продуктами являются вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$).

• Для карбонат-иона: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$

• Для гидрокарбонат-иона: $HCO_3^{-} + H^+ \rightarrow H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$

Таким образом, заполняем пропуски в уравнениях.

Ответ:

Угольная кислота образует два ряда солей: карбонаты (средние соли) и гидрокарбонаты (кислые соли).

Примеры: карбонат натрия (стиральная, или техническая, сода) и гидрокарбонат натрия (питьевая, или пищевая, сода).

Качественной реакцией на соли угольной кислоты служит их взаимодействие с сильными кислотами с выделением углекислого газа.

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

$HCO_3^{-} + H^+ = H_2O + CO_2$