Номер 1, страница 109 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

Домашний эксперимент. 10. Металлы - номер 1, страница 109.

Условие.

1. Вытеснение меди из раствора медного купороса

Приготовьте водный раствор сульфата меди(II), используя кристаллы медного купороса (их можно купить в хозяйственном магазине, где продаются удобрения). В стеклянный сосуд с раствором сульфата меди(II) опустите гвоздь, предварительно зачистив его наждачной бумагой. Для наглядности можно зафиксировать гвоздь в отверстии пластиковой крышки, тогда можно будет чётко наблюдать границу раздела металлических покрытий. Через некоторое время (20–30 мин) рассмотрите гвоздь. Составьте уравнение реакции. На каком химическом свойстве металлов основана данная реакция? Составьте и решите расчётную задачу по проведённому эксперименту.

Решение.

Решение 2.

Составьте уравнение реакции.

При опускании железного гвоздя (состоящего в основном из железа, $Fe$) в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$) происходит химическая реакция замещения. Железо, как более активный металл, вытесняет медь из раствора её соли. На поверхности гвоздя образуется налёт металлической меди красно-розового цвета, а исходный голубой раствор сульфата меди(II) постепенно обесцвечивается (или приобретает бледно-зелёный оттенок из-за образования сульфата железа(II), $FeSO_4$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

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

Ответ: $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$.

На каком химическом свойстве металлов основана данная реакция?

Данная реакция основана на различной химической активности металлов, которая описывается электрохимическим рядом напряжений металлов (или рядом активности металлов). В этом ряду металлы расположены в порядке убывания их химической активности. Любой металл, находящийся в ряду активности левее водорода, может вытеснять водород из кислот, а также любой металл может вытеснять все металлы, стоящие правее него, из растворов их солей. Поскольку железо ($Fe$) в ряду активности стоит левее меди ($Cu$), оно является более активным и вытесняет медь из раствора сульфата меди.

Ответ: Реакция основана на свойстве более активных металлов вытеснять менее активные металлы из растворов их солей, что определяется относительным положением металлов в электрохимическом ряду напряжений.

Составьте и решите расчётную задачу по проведённому эксперименту.

Условие задачи: Железный гвоздь массой 10 г опустили в избыток раствора сульфата меди(II). Через некоторое время гвоздь вынули, промыли от раствора соли, высушили и взвесили. Его новая масса составила 10,4 г. Вычислите массу железа, перешедшего в раствор, и массу меди, осевшей на гвозде.

Дано:
Начальная масса гвоздя: $m_{1} = 10 \text{ г}$
Конечная масса гвоздя: $m_{2} = 10,4 \text{ г}$

$m_{1} = 0,01 \text{ кг}$
$m_{2} = 0,0104 \text{ кг}$

Найти:
Масса прореагировавшего железа: $m(Fe)_{прореаг.} - ?$
Масса выделившейся меди: $m(Cu)_{осевшей} - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение протекающей реакции:

$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$

2. Масса гвоздя увеличилась, так как масса меди, которая осела на его поверхности, больше массы железа, которое растворилось (перешло в раствор в виде ионов $Fe^{2+}$). Рассчитаем изменение массы гвоздя:

$\Delta m = m_{2} - m_{1} = 10,4 \text{ г} - 10 \text{ г} = 0,4 \text{ г}$

3. Пусть количество вещества ($ \nu $) прореагировавшего железа равно $x$ моль.

$\nu(Fe) = x \text{ моль}$

4. Из уравнения реакции следует, что количества веществ железа и меди относятся как 1:1. Следовательно, количество вещества выделившейся меди также равно $x$ моль.

$\nu(Cu) = x \text{ моль}$

5. Найдём молярные массы железа и меди (используя округлённые значения атомных масс):

$M(Fe) \approx 56 \text{ г/моль}$

$M(Cu) \approx 64 \text{ г/моль}$

6. Выразим массы прореагировавшего железа и выделившейся меди через $x$:

$m(Fe)_{прореаг.} = \nu(Fe) \cdot M(Fe) = 56x \text{ (г)}$

$m(Cu)_{осевшей} = \nu(Cu) \cdot M(Cu) = 64x \text{ (г)}$

7. Изменение массы гвоздя равно разности масс осевшей меди и растворившегося железа. Составим и решим уравнение:

$\Delta m = m(Cu)_{осевшей} - m(Fe)_{прореаг.}$

$0,4 = 64x - 56x$

$0,4 = 8x$

$x = \frac{0,4}{8} = 0,05 \text{ моль}$

8. Теперь, зная $x$, можем рассчитать искомые массы:

$m(Fe)_{прореаг.} = 56 \cdot 0,05 = 2,8 \text{ г}$

$m(Cu)_{осевшей} = 64 \cdot 0,05 = 3,2 \text{ г}$

Проверка: $m(Cu) - m(Fe) = 3,2 \text{ г} - 2,8 \text{ г} = 0,4 \text{ г}$. Результат совпадает с $\Delta m$ из условия.

Ответ: масса прореагировавшего железа составляет 2,8 г, а масса выделившейся меди — 3,2 г.