Страница 108 - гдз по химии 9 класс тетрадь для лабораторных опытов и практических работ Габриелян, Аксенова

1. В три пробирки налейте по 1—2 мл серной кислоты. В первую пробирку добавьте 1—2 капли лакмуса, во вторую — 1—2 капли метилового оранжевого, в третью — 1—2 капли фенолфталеина. Что наблюдаете? Объясните результаты.

В первой пробирке с серной кислотой и лакмусом наблюдается изменение цвета раствора на красный. Во второй пробирке с серной кислотой и метиловым оранжевым также наблюдается изменение цвета раствора на красный или розово-красный. В третьей пробирке с серной кислотой и фенолфталеином видимых изменений цвета не происходит, раствор остается бесцветным.

Серная кислота ($\text{H}_2\text{SO}_4$) является сильной кислотой, которая в водном растворе полностью диссоциирует с образованием ионов водорода ($\text{H}^+$), что приводит к сильнокислой реакции среды. Индикаторы изменяют свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода в растворе (pH).

В пробирке с лакмусом:

Лакмус — это кислотно-основный индикатор, который в кислой среде (pH менее $4.5$) принимает красный цвет. Поскольку серная кислота создает кислую среду, лакмус становится красным.

В пробирке с метиловым оранжевым:

Метиловый оранжевый — это также кислотно-основный индикатор, который в кислой среде (pH менее $3.1$) приобретает красный или розово-красный цвет. В присутствии серной кислоты среда становится кислой, и метиловый оранжевый окрашивается в красный цвет.

В пробирке с фенолфталеином:

Фенолфталеин — кислотно-основный индикатор, который в кислой и нейтральной среде (pH менее $8.2$) остается бесцветным. Он приобретает малиновую окраску только в сильнощелочной среде (pH более $10$). Поскольку серная кислота создает кислую среду, фенолфталеин не меняет свой цвет и остается бесцветным.

Уравнение диссоциации серной кислоты:

$\text{H}_2\text{SO}_4 \to 2\text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-}$

2. В первую и вторую пробирки из первого опыта добавляйте по каплям гидроксид натрия до тех пор, пока лакмус не станет фиолетовым, метиловый оранжевый — оранжевым. Сделайте вывод и напишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции.

Вывод

Добавление гидроксида натрия (сильного основания) к растворам, содержащим кислоту, до тех пор, пока индикаторы (лакмус и метиловый оранжевый) не изменят цвет до своих нейтральных оттенков, свидетельствует о полной нейтрализации кислоты основанием. Лакмус становится фиолетовым, а метиловый оранжевый — оранжевым, когда раствор достигает нейтральной реакции среды (pH ≈ 7). Этот процесс называется реакцией нейтрализации, при которой ионы водорода ($H^+$) от кислоты и гидроксид-ионы ($OH^-$) от основания объединяются, образуя воду, а оставшиеся ионы образуют соль.

Молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции

Предположим, что в пробирках из первого опыта находилась соляная кислота ($HCl$), которая является типичной сильной кислотой, используемой в подобных экспериментах. Тогда реакция нейтрализации протекает следующим образом:

Молекулярное уравнение реакции:

$HCl(aq) + NaOH(aq) \to NaCl(aq) + H_2O(l)$

Сокращённое ионное уравнение реакции:

$H^+(aq) + OH^-(aq) \to H_2O(l)$

3. В две пробирки налейте по 1—2 мл раствора серной кислоты. В одну пробирку поместите гранулу цинка, а в другую — кусочек медной проволоки (или стружки). Что наблюдаете? Объясните результаты. Напишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Что наблюдаете?

В пробирку с раствором серной кислоты, в которую помещена гранула цинка, наблюдается активное выделение газообразного вещества (пузырьков газа) и постепенное растворение гранулы цинка.

В пробирку с раствором серной кислоты, в которую помещен кусочек медной проволоки, видимых изменений не наблюдается. Медь не растворяется, газ не выделяется.

Объясните результаты.

Наблюдаемые результаты объясняются положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности металлов).

Цинк находится в ряду напряжений до водорода, что означает, что цинк является более активным металлом, чем водород. Поэтому цинк способен вытеснять водород из разбавленных кислот. Происходит химическая реакция замещения, в результате которой образуется соль (сульфат цинка) и выделяется водород в виде газа.

Медь находится в ряду напряжений после водорода, что означает, что медь является менее активным металлом, чем водород. Поэтому медь не способна вытеснять водород из разбавленных кислот. Реакция между медью и разбавленной серной кислотой не происходит. (Примечание: концентрированная серная кислота может реагировать с медью, но это связано с ее окислительными свойствами, а не с вытеснением водорода).

Напишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции.

Реакция происходит только в пробирке с цинком.

Молекулярное уравнение реакции:

$Zn(s) + H_2SO_4(aq) \rightarrow ZnSO_4(aq) + H_2(g)$

Полное ионное уравнение реакции:

$Zn(s) + 2H^+(aq) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq) + H_2(g)$

Сокращённое ионное уравнение реакции:

$Zn(s) + 2H^+(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + H_2(g)$

Ответ:

Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

Реакция между цинком и серной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией (ОВР), так как в ходе реакции происходит изменение степеней окисления элементов.

Электронный баланс и процессы:

1. Окисление цинка: Цинк ($Zn^0$) отдает два электрона и переходит в ион цинка ($Zn^{+2}$). $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ Цинк является восстановителем, так как он окисляется.

2. Восстановление водорода: Ионы водорода ($H^+$) из серной кислоты принимают электроны и образуют молекулярный водород ($H_2^0$). $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ Ионы водорода являются окислителем, так как они восстанавливаются.

Количество отданных электронов (2) равно количеству принятых электронов (2), что соответствует закону сохранения заряда.

4. В две пробирки налейте по 1—2 мл серной кислоты. В первую пробирку добавьте на кончике шпателя оксид меди(II), во вторую — карбонат кальция (кусочек мела или мрамора). Объясните результаты. Напишите молекулярные и сокращённые ионные уравнения реакций.

Объяснение результатов

В первой пробирке с серной кислотой ($\mathrm{H_2SO_4}$) при добавлении оксида меди(II) ($\mathrm{CuO}$), который представляет собой чёрный порошок, наблюдается его растворение и образование прозрачного раствора голубого цвета. Это происходит потому, что оксид меди(II) является основным оксидом и реагирует с сильной серной кислотой с образованием растворимой соли - сульфата меди(II) ($\mathrm{CuSO_4}$), которая в водном растворе имеет характерный голубой цвет.

Во второй пробирке при добавлении карбоната кальция ($\mathrm{CaCO_3}$, мел или мрамор – белое твёрдое вещество) к серной кислоте наблюдается выделение пузырьков газа (углекислого газа, $\mathrm{CO_2}$) и образование белого осадка. Карбонат кальция реагирует с серной кислотой, образуя углекислый газ, воду и сульфат кальция ($\mathrm{CaSO_4}$). Сульфат кальция является малорастворимым соединением, поэтому он выпадает в осадок. Образовавшийся слой осадка на поверхности частичек карбоната кальция может препятствовать дальнейшему контакту реагента с кислотой, замедляя или прекращая реакцию.

Молекулярные уравнения реакций

Реакция в первой пробирке:

$\mathrm{CuO(s)} + \mathrm{H_2SO_4(aq)} \rightarrow \mathrm{CuSO_4(aq)} + \mathrm{H_2O(l)}$

Реакция во второй пробирке:

$\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{H_2SO_4(aq)} \rightarrow \mathrm{CaSO_4(s)} + \mathrm{H_2O(l)} + \mathrm{CO_2(g)}$

Сокращённые ионные уравнения реакций

Реакция в первой пробирке:

$\mathrm{CuO(s)} + 2\mathrm{H^+(aq)} \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}(aq)} + \mathrm{H_2O(l)}$

Реакция во второй пробирке:

$\mathrm{CaCO_3(s)} + 2\mathrm{H^+(aq)} + \mathrm{SO_4^{2-}(aq)} \rightarrow \mathrm{CaSO_4(s)} + \mathrm{H_2O(l)} + \mathrm{CO_2(g)}$

5. В пробирку налейте 1—2 мл раствора сульфата меди(II), затем добавьте 1—2 мл раствора гидроксида натрия. К полученному осадку добавляйте по каплям серную кислоту до полного растворения осадка. Напишите молекулярные и сокращённые ионные уравнения реакций.

Реакция 1: Взаимодействие сульфата меди(II) и гидроксида натрия

Молекулярное уравнение: $CuSO_4(aq) + 2NaOH(aq) \rightarrow Cu(OH)_2(s) + Na_2SO_4(aq)$

Сокращённое ионное уравнение: $Cu^{2+}(aq) + 2OH^{-}(aq) \rightarrow Cu(OH)_2(s)$

Реакция 2: Взаимодействие гидроксида меди(II) с серной кислотой

Молекулярное уравнение: $Cu(OH)_2(s) + H_2SO_4(aq) \rightarrow CuSO_4(aq) + 2H_2O(l)$

Сокращённое ионное уравнение: $Cu(OH)_2(s) + 2H^{+}(aq) \rightarrow Cu^{2+}(aq) + 2H_2O(l)$

6. В одну пробирку налейте 1—2 мл раствора серной кислоты, в другую — 1—2 мл раствора сульфата натрия. В обе пробирки добавьте несколько капель раствора хлорида бария. Что наблюдаете? Напишите молекулярные и сокращённое ионное уравнения реакций.

Что наблюдаете?

При добавлении раствора хлорида бария ($BaCl_2$) как к раствору серной кислоты ($H_2SO_4$), так и к раствору сульфата натрия ($Na_2SO_4$), наблюдается образование белого осадка. Этот осадок является сульфатом бария ($BaSO_4$), который практически нерастворим в воде.

Ответ: В обеих пробирках наблюдается образование белого осадка.

Напишите молекулярные и сокращённое ионное уравнения реакций.

1. Реакция между серной кислотой и хлоридом бария:

Молекулярное уравнение: $H_2SO_4(aq) + BaCl_2(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow + 2HCl(aq)$

Полное ионное уравнение: $2H^+(aq) + SO_4^{2-}(aq) + Ba^{2+}(aq) + 2Cl^-(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow + 2H^+(aq) + 2Cl^-(aq)$

Сокращённое ионное уравнение: $Ba^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow$

2. Реакция между сульфатом натрия и хлоридом бария:

Молекулярное уравнение: $Na_2SO_4(aq) + BaCl_2(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow + 2NaCl(aq)$

Полное ионное уравнение: $2Na^+(aq) + SO_4^{2-}(aq) + Ba^{2+}(aq) + 2Cl^-(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow + 2Na^+(aq) + 2Cl^-(aq)$

Сокращённое ионное уравнение: $Ba^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow BaSO_4(s) \downarrow$

Ответ: Молекулярные и сокращенные ионные уравнения реакций приведены выше.