Задания по химии. 9 класс

Задача 1. Закончить уравнения реакций и расставить коэффициенты

1. PCl₅ + SO₂ → ;
2. SO₂ + Cl₂ →;
3. SO₃ + HCl →;
4. H₂SO₄(конц.) + PCl₅ →;
5. SeCl₂ + H₂O →;
6. As₂S₃ + HNO₃ →;
7. FeS₂ + HNO₃ →;
8. Zn + NH₃ + NH₄Cl →;
9. Na₂SO₄ + C + CaCO₃ →;
10. Pb₃O₄ + NaClO →;

Решение. 
1) PCl₅ + SO2 → SOCl₂ + POCl₃; реакция обмена
2) SO₂ + Cl₂ →SO₂Cl₂; окислительно-восстановительная реакция
(расстановку коэффициентов удобно выполнить методом электронного баланса)
S⁺⁴ — 2ē → S⁺⁶;
Cl₂⁰ + 2ē → 2Cl^-1.
3) SO₃ + HCl → HSO₃Cl; реакция обмена
4) H₂SO₄(конц.) + PCl_5 → HSO₃Cl + HCl + POCl₃; реакция обмена
5) 2SeCl₂ + 3H₂O  H₂SeO₃ + Se + 4HCl; окислительно-восстановительная реакция
(расстановку коэффициентов удобно выполнить методом полуреакций)
SeCl₂ + 3H₂O — 2ē →SeO₃²— + 6H⁺ + 2Cl^—;
SeCl₂ + 2ē →Se⁰ + 2Cl^—.
6) 2As₂S₃ + 28HNO3 → 6H3AsO4 + 9H2SO4 + 28NO↑; окислительно-восстановительная реакция
(расстановку коэффициентов удобно выполнить методом электронного баланса)
2As+3 — 4ē→ 2As₊₅;
3S_-2 — 24ē→ 3S₊₆; (итого, суммарное число электронов, принимающих участие в стадии окисления 4 + 24 = 28)
N₊₅ + 3ē→ N₊₂.
7) 2FeS₂ + 10HNO₃ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂SO₄ + 10NO↑ + 4H₂O; (напомним, что в пирите FeS₂ железо имеет степень окисления +2) окислительно-восстановительная реакция
(расстановку коэффициентов удобно выполнить методом полуреакций)
FeS₂ + 8H₂O — 15ē → Fe³⁺ + 2SO42- + 16H⁺;
NO₃^— +4H⁺ + 3ē → NO + 2H₂O.
8) Zn + 2NH₃ + 2NH₄Cl → [Zn(NH₃)₄]Cl₂ + H₂↑
окислительно-восстановительная реакция (расстановку коэффициентов удобно выполнить методом электронного баланса)
Zn⁰— 2ē → Zn⁺²;
2H⁺ + 2ē → H₂⁰.
9) Na₂SO₄ + 2C + CaCO₃ Na₂CO₃ + CaS + 2CO₂↑ (метод Леблана – метод получения карбоната натрия из сульфата натрия) ;
окислительно-восстановительная реакция (расстановку коэффициентов удобно выполнить методом электронного баланса)
С⁰— 4ē → С⁺⁴;
S⁺⁶ + 8ē → S^-2.
10) Pb₃O₄ + 2NaClO → 3PbO₂ + 2NaCl; (напомним, что сурик Pb₃O₄ является ортоплюмбатом свинца Pb₂⁺²Pb⁺⁴O₄ )
окислительно-восстановительная реакция (расстановку коэффициентов удобно выполнить методом электронного баланса)
Pb⁺²— 2ē → Pb⁺⁴;
Cl⁺¹ + 2ē → Cl^-1.

Задача 2.  Реактив А, представляющий из себя крупные комки белого или серого цвета, имеет на редкость отвратительный запах и состоит из элементов Х и У в массовом соотношении 1:1.78 соответственно. Взаимодействие этого вещества с раствором соляной кислоты приводит к выделению бинарного (двухэлементного) газа В, обладающего кислыми свойствами и содержащего 94.1% (масс.) элемента У.

1) Установите элементы Х и У, соединения А и В, напишите уравнение реакции А с соляной кислотой. 2) Объясните, почему вещество А так плохо пахнет. Как в химической литературе обычно называют этот запах? 3) Как Вы думаете, почему производители выпускают вещество А в виде комков, а не размалывают в порошок, как большинство других реактивов? 4) Как соединение А будет реагировать с избытками следующих веществ: а) раствором гидроксида натрия; б) горячей концентрированной азотной кислотой; в) хлорной водой; г) горячим газообразным хлором; д) иодной водой? Напишите уравнения реакций.

Решение.
1. Бинарный газ В обладает кислыми свойствами, получается при реакции с кислотой и содержит очень легкий элемент (94.1% (масс.) У) – все к тому, что один элемент в его составе – водород.
Запишем формулу В как Н_nУ, тогда 1•n/М_В=(100-94.1)/100, откуда М_В/n=17. При n=2 получаем, что У – сера, а В – H₂S.
Значит А – какой-то сульфид с брутто-формулой М₂S_n.
Из условия 32n/2M=1.78, откуда M/n = 9 — подходит алюминий (27/3) (Be, Sc, Cu, Ge – не проходят по валентностям).
Итак, Х – Al, А – Al₂S₃.
Al₂S₃+ 6HCl → 2AlCl₃+ 3H₂S↑.

2. Сульфид алюминия – соль очень слабых кислоты и основания, на воздухе гидролизуется содержащимися в нем парами воды с выделением газа, имеющего запах тухлых яиц:
Al₂S₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑.

3. Чем больше комки, т.е. меньше поверхность реактива, тем меньше скорость процесса, описанного в п.2; в порошке сульфид алюминия будет портиться значительно быстрее.

4. Реакции Al₂S₃:
а) Al₂S₃+ 8NaOH → 2Na[Al(OH)₄] + 3Na₂S;
б) Al₂S₃+ 24HNO₃ → Al₂(SO₄)₃+ 24NO₂↑ + 12H₂O;
в) Al₂S₃+ 12Cl2+ 12H₂O → Al₂(SO₄)₃+ 24HCl;
г) 2Al₂S₃+ 9Cl₂ → 4AlCl₃+ 3S₂Cl₂;
д) Al₂S₃+ 3I₂(aq.) →2AlI₃+ 3S↓.

Задача 3. Элементы А, Б, В находятся в разных периодах таблицы Менделеева и образуют соединения Б₂А, БА₂, В₂А и БВ. При взаимодействии БВ с В₂А выделяется газ В₂, а при взаимодействии БА₂ с В₂А образуется газ А₂, который, реагируя с В₂, снова образует В₂А (см. схему):

Также известно, что молярная масса Б₂А в 1.324 раза больше молярной массы БА₂. Определите неизвестные элементы и напишите уравнения всех реакций, описанных в задаче. Какие Вы еще знаете вещества, образованные из атомов только этих трех элементов (простые, бинарные, трехэлементные)? Напишите уравнения реакций взаимодействия БА₂ и В₂А, БВ и А₂, БА₂ и CO₂. Где применяется вещество БА₂, как его можно получить?

Решение.
1. Определение элементов можно выполнить несколькими способами.
Первый способ. Выбор элементов, образующих газообразные соединения А₂ и В₂, достаточно ограничен: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂. Из них напрямую с образованием соединения В₂А реагируют только кислород и водород. Кислород просматривается и из состава соединений БА₂ и Б₂А.
Элемент Б находится из соотношения молярных масс: (2·М_Б+16)/(2·16+М_Б) = 1.324, откуда М_Б = 39. Итак, А – кислород, Б – калий, В – водород.
Второй способ. Можно пойти более строгим путем и сразу составить уравнение: (2·М_Б+М_А)/(2·М_А+М_Б)=1.324, откуда М_Б=2.438·М_А. Затем небольшим перебором атомных масс элемента А (с учетом двухатомности и газообразности простого вещества) можно получить, что так соотносятся только массы кислорода и калия.

2. Уравнения реакций:
KH + H₂O → KOH + H₂↑, Н₂ – это газ В₂ на схеме;
4KO2 + 2H2O  4KOH + 3O2↑, О2 – это газ А₂ на схеме;
2H₂ + O₂ → 2H₂O, Н₂О – это вещество В₂А на схеме.

3. Вещества, состоящие из К, О и Н: O₃, K, H₂O₂, K₂O₂, KO3, KOH, КН.

4. K₂O + H₂O → 2KOH;
2KH + O₂ → 2KOH;
4KO₂+ 2CO₂ → 2K₂CO₂+ 3O₂↑.

5. KO₂ применяется для регенерации кислорода из углекислого газа, например, на подводных лодках или в изолирующих противогазах. Надпероксид калия – основной продукт, образующийся при сгорании калия в кислороде: K + O₂ → KO₂.

Задача 4. Чем объяснить склонность серы к образованию цепных молекул и почему это малохарактерно для кислорода? В каких условиях могут существовать двухатомные молекулы кислорода, серы, селена и теллура?

Решение: 
Вследствие большей величины атомного радиуса серы pπ-pπ перекрывание между её атомами существенно меньше по сравнению с атомами кислорода, что приводит к резкому снижению устойчивости кратных связей S=S. Напротив, у элементов второго периода (в том числе и у кислорода) склонность к образованию кратных связей выражена достаточно сильно (-С≡С-, -С=С-, -N≡N-, -N=N-, O=O, >C=O, –N=O, -C≡N, >C=N- и т.д.).
Меньшее содержание атомов в молекуле кислорода О₂, чем в молекуле S₈ или Se₈, объясняется очень малым размером его атомов и вытекающим отсюда чрезвычайно сильным межэлектронным отталкиванием, делающим непрочной одинарную связь О-О. Напротив, прочной оказывается кратная (двойная) связь О=О. Это связано, как уже отмечалось, с сильным pπ-pπ перекрыванием, характерным для элементов неметаллов, имеющих самые маленькие размеры атомов (O, N, C). Уменьшение числа атомов в молекуле при переходе к Te и Ро происходит по той же причине, и связано с усилением металлических свойств: с ростом радиуса атомов прочность любых, даже одинарных ковалентных связей падает.
Таким образом, у атомов серы проявляется склонность к образованию двух σ-связей, что ведет к образованию цепей -S-S-. Вместе с тем известно, что связь -S-S- более прочная (Е_S-S ≈213 кДж/моль) по сравнению со связью -О-О- (Е_О-О≈138 кДж/моль), что, по всей вероятности, указывает на то, что связь -S-S- не чисто одинарная. Упрочнение связи между атомами серы в цепи -S-S- возможно за счет дополнительного перекрывания pπ-dπ по дативному механизму.
Кислород имеет молекулярную структуру (молекула О₂) во всех трех агрегатных состояниях. Молекулы серы, селена и теллура состава Э₂ образуются лишь в газообразном состоянии при достаточно высоких температурах. При понижении температуры идут процессы конденсации. Например,
4S₂(газ) → S₈(газ);
S₈(газ) → S(ромб.).

Задача 5. Сколько времени надо производить электролиз для полного выделения никеля из 80 мл 2%-ного раствора NiSO₄ ·7H₂O, плотность которого 1.01 г/мл, током 0.28 А при выходе по току 90%?

Решение:
1. Определим содержание ионов Ni²⁺ в данном растворе.
Масса 80 мл 2%-ного раствора NiSO₄·7H₂O равна 80 мл·1.01 г/мл=80.8 г.
100 г раствора NiSO₄·7H₂O содержат 2 г кристаллогидрата,
80.8 г раствора NiSO₄·7H₂O содержат x₁ г кристаллогидрата,
отсюда x₁=1.616 г.
281 г NiSO₄·7H₂O 59 г никеля,
1.616 г NiSO₄·7H₂O содержат x₂ г никеля,
отсюда x₂=0.339 г или 0.0057 моль.
Выход по току это отношение массы фактически выделенного вещества к массе вещества, которая должна быть выделена в соответствии с законом Фарадея:
η (%) = (m_практm_теорет)·100%.
Отсюда, 0.339 г – это фактическая масса Ni, которая должна быть выделена из раствора, тогда m_теорет = 0.339 г/0.9=0.377 г или 0.0064 моль.

2. Составим уравнение катодного процесса, в результате которого на катоде выделяется никель. При этом заметим, что в результате электролиза водного раствора сульфата никеля (II) на катоде выделяется металлический никель. Аналогичный продукт выделяется также при электролизе хлорида и бромида никеля (II). Вместе с тем, при электролизе нитрата, гидроксида и некоторых других соединений никеля (II) на катоде образуется водород, а на аноде NiO(OH) – метагидроксид никеля (нерастворим в воде и с течением времени при комнатной температуре «стареет»: 2NiO(OH)+H₂O→Ni₂О(ОН)₄)
Итак, на катоде: Ni²⁺ + 2ē → Ni⁰.
Согласно уравнению катодного процесса на выделение 1 моль Ni затрачивается 2 моль ē. Таким образом, количество электронов, прошедших через раствор равно:
0.0064·2=0.0128 моль
По закону Фарадея находим необходимое время электролиза:
n(ē)=I·t/F, t= n(ē)·F/I,
t=0.0128 моль·96500 (Кл/моль)/0.28 (А)=4411 сек. или 1.225 часа.
Ответ: t=4411 сек. или 1.225 часа.

Задача 6. Прокалили смесь, состоящую из 48 г диоксида кремния и 57.6 г магния. При обработке полученной массы раствором соляной кислоты выделилось 7.95 л водорода (p=2 атм, t=50ºС). Написать уравнения протекающих реакций и определить количество образовавшегося кремния.

Решение: Диоксид кремния реагирует с магнием по уравнению:

SiO₂ + 2Mg → Si + 2 MgO. (1)

Из уравнения реакции (1) видно, что магний берется в избытке (масса избытка Mg составляет 19.2 г). Поэтому образовавшийся кремний реагирует с магнием с образованием силицида магния по следующему уравнению:

Si + 2Mg → Mg₂Si.  (2)

Оставшийся магний будет реагировать с соляной кислотой с выделением водорода по уравнению:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.     (3)

С соляной кислотой реагируют также оксид магния и силицид магния по следующим уравнениям:

MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O, (4)

Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH_4↑. (5)

Рассмотрим несколько способов решения.
1-й способ. 

Из уравнения реакции (1) видно, что

60 г SiO₂ реагируют с 48 г Mg

48 г SiO₂ реагируют с х₁ г Mg

отсюда х₁ = (48·48)/60=38.4 г.

Из уравнения реакции (3) видно, что

22.40 л Н₂ вытесняются 24 г Mg,

13.44 л Н₂ вытесняются x₂ г Mg,

(для определения объема Н₂ воспользовались уравнением состояния идеального газа:

(p_1·V₁)/T₁=(p_2·V₂)/T₂; (Т(К)=t(ºС) + 273); V₂(н.у.)=(p_1·V_1·Т₂)/(p_2·Т₁)=(2 атм·7.95 л·273 К)/(1 атм·323 К); V₂=13.44 л)

отсюда x₂ = (13.44·24)/22.4=14.4 г.

Значит, из 57.6 г взятого магния 38.4 г прореагировали с диоксидом магния, 14.4 г – с соляной кислотой, а оставшиеся 4.8 г (57.6 – 38.4 — 14.4 = 4.8) вступили в реакцию с образовавшимся кремнием. Из уравнения реакции (1) видно, что

из 60 г SiO₂ образуется 28 г Si, из 48 г SiO₂ образуется x₃ г Si,

отсюда x₃ = (28·48)/60=22.4 г.

Из уравнения реакции (2) видно, что

48 г Mg реагируют с 28 г Si, 4.8 г Mg реагируют с х₄ г Si,

отсюда x₄ = (284.8)48=2.8 г.

Таким образом, из 22.4 г образовавшегося в ходе реакции кремния 2.8 г прореагирует с магнием, а 19.6 г (22.4 г — 2.8 г = 19.6 г) останутся.

2-й способ. По условию задачи смесь состояла из 48 г, или 0.8 моль (48/60=0.8), SiO₂ и 57.6 г, или 2.4 моль (57.6/24=2.4), Mg. При обработке сплава раствором соляной кислоты выделилось 13.44 л (н.у.) (для определения объема Н₂ воспользовались уравнением состояния идеального газа: (p_1·V₁)/T₁=(p_2·V₂)⁄T₂; V₂(н.у.)=(p_1·V_1·Т₂)/(p_2·Т₁) = (2 атм·7.95 л·273 К)/(1 атм·323 К); V=13.44 л), или 0.6 моль (13.44/22.4=0.6), водорода. Из уравнения реакции (3) видно, что 0.6 моль водорода может выделиться, если прореагирует 0.6 моль магния. Из уравнения (1) видно, что 1 моль SiO₂ реагирует с 2 молями Mg, а 0.8 моль SiO₂ реагируют с 1.6 моля Mg с образованием 0.8 моль Si. Значит, 2.4 моль взятого Mg 1.6 моля прореагировало с SiO₂, 0.6 моль – с соляной кислотой, а остальные 0.2 моль Mg реагируют с 0.1 моля Si. Таким образом, из 0.8 моль образовавшегося Si 0.1 моля реагирует с Mg, а остальные 0.7 моля (0.8-0.1=0.7) или 19.6 г (0.7·28=19.6), останутся.

Ответ: m(Si)=19.6 г.

Задача 7. Константа равновесия Кс реакции
СО(газ) + Cl₂(газ)  COCl₂(газ)
при некоторой температуре равна 6. В каком направлении будет протекать реакция при следующих исходных количествах реагирующих веществ:

1. 1 моль СО, 1 моль Cl₂, 4 моль COCl₂;
2. 1 моль СО, 1 моль Cl₂, 8 моль СОCl₂;
3. 2 моль СО, 0.25 моль Cl₂, 3 моль COCl₂.

Решение: Допустим, что в каждом случае возможно смещение равновесия. Рассчитаем количество прореагировавших компонентов, выраженное через х. Так как соотношение количеств молей газообразных веществ пропорционально соотношению их концентраций, можно использовать последние, подставляя их в выражение для константы равновесия (можно также предположить, что объем реакционного сосуда постоянен и равен 1 л, тогда исходные количества вещества в молях становятся равными молярной концентрации):

Из уравнения реакции следует, что если прореагировало х моль оксида углерода и х моль хлора, то образуется х моль фосгена. Тогда в каждом из случаев равновесные концентрации равны:

1) [CO]=1-x, [Cl₂]=1-x, [COCl₂]=4+x;

2) [CO]=1-x, [Cl₂]=1-x, [COCl₂]=8+x;

3) [CO]=2-x, [Cl₂]=0.25-x, [COCl₂]=3+x.

Отсюда следует: 

1) 6=

решая полученное квадратное уравнение получаем х=0.16.

Число молей участников реакции в момент достижения равновесия: [CO]=0.84 моль, [Cl₂]=0.84 моль, [COCl₂]=4.16 моль.

Т.к. количество вступившего в реакцию СО (или Cl₂) положительно, то это означает, что реакция в смеси будет идти в сторону образования фосгена, т.е. равновесие смешено вправо (в сторону образования продуктов реакции).

решая полученное квадратное уравнение получаем х=-0.15.

Число молей участников реакции в момент достижения равновесия: [CO]=1.15 моль, [Cl₂]=1.15 моль, [COCl₂]=7.85 моль.

Т.к. количество вступившего в реакцию СО (или Cl₂) отрицательно, то это означает, что реакция в смеси будет идти в сторону разложения фосгена, т.е. равновесие смешено влево (в сторону распада продуктов реакции).

решая полученное квадратное уравнение получаем х=0.

Число молей участников реакции в момент достижения равновесия равно исходным: [CO]=2 моль, [Cl₂]=0.25 моль, [COCl₂]=3 моль.

Т.к. количество вступившего в реакцию СО (или Cl₂) равно нулю, то это означает, что реакция достигла состояния равновесия.

Ответ: 1) [CO]=0.84 моль, [Cl₂]=0.84 моль, [COCl₂]=4.16 моль, равновесие смешено вправо; 2) [CO]=1.15 моль, [Cl₂]=1.15 моль, [COCl₂]=7.85 моль, равновесие смещено влево; 3) [CO]=2 моль, [Cl₂]=0.25 моль, [COCl₂]=3 моль, состояние равновесия.