Учебно-методическое пособие

9 класс

Продолжение. См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29/2003

6. Подгруппа углерода

Знать: аллотропные модификации углерода, зависимость их свойств от строения кристаллической решетки; важнейшие свойства и применение углерода, оксидов углерода, угольной кислоты, карбонатов, кремния, оксидов кремния, кремниевой кислоты; состав и получение строительных материалов – стекла, цемента, бетона, керамики, условия их рационального хранения и использования; качественную реакцию на карбонат-ион; способы обнаружения углекислого газа.
Уметь: давать характеристику подгруппе элементов на основе строения атомов и положения элементов в периодической системе; описывать химические свойства изученных веществ уравнениями реакций; определять на практике карбонат-ион и углекислый газ; решать комбинированные задачи.
Основные понятия: адсорбция, десорбция, адсорбент, известковая вода, известковое молоко, карбиды, силициды, кремниевый ангидрид, керамика.

Контрольные вопросы

1. Какова валентность углерода в соединениях? Почему?
2. Какие аллотропные формы образует углерод?
3. В чем различие свойств графита и алмаза? Почему свойства этих веществ так различны?
4. Почему активированный уголь способен к адсорбции?
5. Что называется адсорбцией? Где применяется это свойство?
6. В какие реакции может вступать углерод? Напишите уравнения реакций.
7. Какие оксиды образует углерод?
8. Как устроена молекула монооксида углерода, какой в ней тип химической связи?
9. Как можно получить оксид углерода(II)? Приведите уравнение химической реакции.
10. Каковы физические свойства угарного газа?
11. В какие реакции может вступать монооксид углерода? Приведите уравнения химических реакций.
12. Где применяется оксид углерода(II)?
13. Как влияет угарный газ на живой организм? Как уберечься от отравления им?
14. Как устроена молекула диоксида углерода, какой в ней тип химической связи?
15. Как можно получить СО₂? Составьте уравнение реакции.
16. Каковы физические свойства углекислого газа?
17. Какие реакции возможны для диоксида углерода? Приведите соответствующие уравнения реакций.
18. Как образуются средние и кислые соли в реакциях СО₂ с щелочами? Напишите уравнения реакций.
19. Как распознать углекислый газ? Напишите уравнение качественной реакции на СО₂.
20. Почему СО₂ не поддерживает горения и дыхания?
21. Каково расположение атомов в молекуле угольной кислоты?
22. Какой тип химической связи между атомами в молекуле угольной кислоты?
23. Как можно получить угольную кислоту? Приведите уравнение реакции.
24. Как диссоциирует угольная кислота? Сильный ли это электролит?
25. Как происходит гидролиз карбоната натрия в растворе? Напишите уравнение реакции.
26. Какова окраска лакмуса в растворе угольной кислоты? Почему?
27. Какие соли может образовывать угольная кислота? Приведите примеры формул веществ.
28. Какие соли угольной кислоты встречаются в природе и как они называются?
29. Какие карбонаты получают в промышленности?
30. Каковы физические свойства солей угольной кислоты?
31. Как ведут себя карбонаты при нагревании? Напишите уравнения реакций.
32. Что происходит с гидрокарбонатами при нагревании?
33. Какие другие реакции (кроме разложения) возможны для карбонатов?
34. Какова качественная реакция на карбонаты? Напишите уравнение реакции.
35. Опишите строение атома кремния.
36. Каковы возможные степени окисления кремния в его соединениях?
37. Каковы физические свойства кремния?
38. Как можно получить чистый кремний? Составьте уравнение реакции.
39. Какие реакции возможны для кремния? Напишите уравнения реакций.
40. Как взаимодействует кремний с щелочами? Составьте уравнение реакции.
41. Где применяется кремний?
42. Какой оксид образует кремний? В каком виде оксид кремния встречается в природе?
43. Почему диоксид кремния твердый и тугоплавкий?
44. Каковы химические свойства диоксида кремния? Напишите уравнения реакций.
45. Где применяется диоксид кремния?
46. Какова простейшая формула кремниевой кислоты?
47. Как можно получить кремниевую кислоту? Приведите уравнение реакции.
48. Каковы физические свойства кремниевой кислоты?
49. Как получают силикаты? Напишите уравнения реакций.
50. Каковы химические свойства силикатов? Составьте уравнения реакций.
51. Где применяется кремниевая кислота?
52. Где применяются силикаты?
53. Какие материалы производит силикатная отрасль промышленности?
54. Что является сырьем для производства стекла?
55. Как можно изменить свойства стекла?
56. Где применяется стекло?
57. Где применяются изделия из керамики?
58. Что служит сырьем при производстве цемента?
59. Где применяется цемент?
60. Какие элементы составляют семейство углерода?
61. Как изменяются свойства элементов в подгруппе углерода с увеличением заряда ядра атома? Почему?
62. Где применяют элементы семейства углерода?

6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»

Задача 1. При обработке 3,8 г смеси карбоната и гидрокарбоната натрия соляной кислотой образовалось 896 мл газа
(н. у.). Какой объем соляной кислоты (массовая доля – 20%, плотность – 1,1 г/см³) был израсходован и каков состав исходной смеси?

Решение

1. Расчет количества вещества:

(CO₂) = 0,896 (л)/22,4 (л/моль) = 0,04 моль.

Обозначим через х количество вещества газа СО₂, выделившегося в реакции Na₂CO₃ c cоляной кислотой. Тогда
(CO₂), выделившегося при реакции NaHCO₃ c HCl, равно (0,04 – х) моль. Напишем уравнения реакций:

2. Составим запись для определения количественного состава смеси:

106х + 84•(0,04 – х) = 3,8, отсюда х = 0,02 моль;

m(Na₂CO₃) = 0,02•106 = 2,12 г,

m(NaНCO₃) = 0,02•84 = 1,68 г.

3. Рассчитаем объем кислоты. В реакции с Na₂CO₃ расходуется 0,04 моль HCl, а в реакции с NaНCO₃ – 0,02 моль HCl.

Ответ. 9,95 мл кислоты HCl; 2,12 г Na₂CO₃ и 1,68 г NaНCO₃.

Задача 2. Какой объем углекислого газа необходимо пропустить (н. у.) через раствор массой 80 г с массовой долей растворенного вещества гидроксида бария 5% для получения гидрокарбоната бария?

Решение

1. Составим уравнение реакции:

2. Рассчитаем количества веществ исходных соединений, вступивших в реакцию:

m(Ва(ОН)₂) = 80•0,05 = 4 г,

(Ва(ОН)₂) = 4/171 = 0,0234 моль;

(СО₂) = 2(Ва(ОН)₂) = 2•0,0234 = 0,0468 моль.

3. Рассчитаем объем газа:

V(СО₂) = 0,0468•22,4 = 1,05 л.

Ответ. 1,05 л СО₂.

Задача 3. Через известковую воду пропустили 1 л смеси оксидов углерода(II) и (IV). Выпавший осадок отфильтровали и высушили, масса осадка составила 2,45 г. Установите содержание газов в исходной смеси в процентах по объему
(н. у.).

Решение

1. Запишем уравнения реакций:

2. Рассчитаем количество вещества СО₂:

(СО₂) = (СаСО₃) = 2,45/100 = 0,0245 моль.

3. Рассчитаем объемы и объемные доли () газов в смеси:

V(СО₂) = 22,4•0,0245 = 0,5488 л, (СО₂) = 54,88%;

V(СО) = 1 – 0,5488 = 0,4512 л, (СО) = 45,12%.

Ответ. Объемные доли (СО₂) = 54,88%; (СО) = 45,12%.

Задания для самоконтроля

1. С какими веществами будет реагировать оксид углерода(IV): гидроксид натрия, вода, карбонат магния, хлорид натрия, оксид кальция, гидроксид меди(II), уголь, известковая вода? Напишите уравнения возможных реакций.

2. В одной пробирке дан раствор карбоната натрия, а в другой – сульфата натрия. В каждую пробирку добавили раствор хлорида бария и в обоих случаях наблюдали выпадение белого осадка. Как определить, в какой пробирке находится карбонат? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций.

3. Объясните окислительно-восстановительные процессы, показав переходы электронов методом электронного баланса:

4. Запишите уравнения реакций следующих превращений:

5. При действии избытка соляной кислоты на образец доломита МgСО₃•СаСО₃ массой 50 г выделяется 11,2 л углекислого газа (н. у.). Определите массовую долю примесей в данном образце доломита.

Ответ. 8%.

6. Известно, что при горении угля выделяется 402 кДж/моль, а при обжиге известняка поглощается 180 кДж/моль теплоты. Используя эти данные, определите массу угля (содержащего 0,98 массовой доли углерода), необходимого для разложения 1 кг известняка, содержащего 5% примесей.

Ответ. 52 г.

7. 1,68 л смеси оксидов углерода(II) и (IV) пропустили при комнатной температуре через 50 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 моль/л, после чего содержание щелочи в растворе уменьшилось вдвое. Определите состав исходной смеси газов в процентах по массе и объему.

Ответ. (СО) = 33,3%, (СО) = 24,1%;
(СО₂) = 66,7%, (СО₂) = 75,9%.

8. Газ, полученный при полном восстановлении 16 г оксида железа(III) с помощью угарного газа, пропущен через 98,2 мл 15%-го раствора гидроксида калия (плотность – 1,14 кг/дм³). Сколько литров оксида углерода(II) израсходовано
(н. у.)? Каковы состав и масса образовавшейся соли?

Ответ. 6,72 л СО, 30 г КНСО₃.

7. Общие свойства металлов

Знать: положение металлов в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева; строение и физические свойства металлов; нахождение металлов в природе; общие химические свойства металлов; виды коррозии и способы защиты от нее; электролиз как окислительно-восстановительный процесс и его применение; классификацию сплавов, состав некоторых сплавов, их свойства и применение; сущность и значение электрохимического ряда напряжений металлов.
Уметь: давать характеристику металлам на основании положения элементов в периодической системе и строения атомов; характеризовать физические свойства металлов; составлять уравнения реакций, отражающих общие свойства металлов; составлять схемы и уравнения электролиза расплавов и растворов солей и щелочей; решать типовые и комбинированные задачи.
Основные понятия: металлическая связь, металлическая кристаллическая решетка, гальванический элемент, электрохимический элемент, коррозия, электролиз, электроэкстрация, электролитическое рафинирование металлов, гальванопластика, гальваностегия, сплавы.

Реакции металлов с кислотами

Активные металлы могут реагировать с кислотами с выделением водорода (реакции замещения).
Малоактивные металлы водород из кислот не вытесняют.

Реакции металлов с разбавленными кислотами

Контрольные вопросы

1. Каково значение металлов в жизни человека?
2. Каковы особенности строения атомов металлов?
3. Где расположены металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
4. Сколько наружных электронов имеют атомы металлов главных и побочных подгрупп?
5. В каких формах могут находиться металлы в природе?
6. Как можно получить металлы из их соединений?
7. Как устроена кристаллическая решетка металлов?
8. Каковы физические свойства металлов?
9. Как ведут себя атомы металлов в химических реакциях и почему?
10. Какие свойства – окислителей или восстановителей – проявляют металлы в химических реакциях?
11. Расскажите об электрохимическом ряде напряжений металлов.
12. Перечислите реакции, в которые могут вступать металлы.
13. Как связаны химические активности атомов металлов и ионов металлов?
14. Пары какого металла смертельно опасны? Опишите признаки отравления.
15. Что такое коррозия металла и как уберечь от нее металл?
16. Перечислите щелочные металлы. Почему они так называются?
17. Каковы особенности строения атомов щелочных металлов?
18. Как можно получить щелочные металлы?
19. Каковы физические свойства щелочных металлов?
20. Какие оксиды и пероксиды получаются при окислении щелочных металлов?
21. Какова степень окисления щелочного металла в соединении? Почему?
22. Как образуется гидрид щелочного металла? Какова степень окисления водорода в нем?
23. Как реагирует щелочной металл с раствором соли?
24. Как окрашивают пламя атомы и ионы щелочных металлов?
25. Какие реакции характерны для щелочных металлов?
26. Какие химические связи образуют щелочные металлы с неметаллами?
27. Как взаимодействует пероксид натрия с углекислым газом?
28. Где применяются щелочные металлы?
29. Какой из щелочных металлов наиболее активен и почему?
30. Как надпероксид КО₂ взаимодействует с СО₂? Напишите уравнение реакции.

7.1. Электролиз расплавов

Катод – восстановитель, на нем происходит процесс приема электронов катионами металлов.
Анод – окислитель, на нем происходит процесс отдачи электронов анионами кислотных остатков или гидроксид-ионами.

В случае окисления ионов ОН^– составляется схема:

4ОН^– – 4e = 2Н₂O + О₂.

Электролиз расплавов солей.
(Алгоритм 30.)

Задание 1. Составьте схему электролиза расплава бромида натрия.

Задание 2. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия.

Электролиз расплавов щелочей.
(Алгоритм 31.)

Задание 1. Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия.

7.2. Электролиз растворов

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании через электролит электрического тока. При электролизе катод является восстановителем, т. к. отдает электроны, а анод – окислителем, т. к. принимает электроны от анионов.

Электролиз раствора хлорида меди(II)

Для выбора наиболее вероятного процесса на катоде и аноде при электролизе растворов с использованием инертного (нерастворимого) анода (например, графита, угля, платины, иридия) используют следующие правила.

1. На аноде образуются:

а) при электролизе растворов, содержащих анионы F^–, –, , , OH^–, – O₂;
б) при окислении анионов Сl^–, Вr^–, I^– – соответственно Сl₂, Вr₂, I₂.

2. На катоде образуются:

а) при электролизе растворов, содержащих ионы, расположенные в ряду напряжений левее Аl³⁺, – Н₂;
б) если ионы расположены в ряду напряжений правее водорода – металлы;
в) если ионы расположены в ряду напряжений между Аl³⁺ и H⁺, то на катоде могут протекать конкурирующие процессы – восстановление как металлов, так и водорода;
г) если водный раствор содержит катионы различных металлов, то их восстановление протекает в порядке уменьшения величины стандартного электродного потенциала (справа налево по ряду напряжений металлов).

В случае использования активного (растворимого) анода (из меди, серебра, цинка, никеля, кадмия) анод сам подвергается окислению (растворяется) и на катоде кроме катионов металла соли и ионов водорода восстанавливаются катионы металла, полученные при растворении анода.
Восстановительные свойства металлов удобно сравнивать, используя электрохимический ряд напряжений, в который включен и водород. Восстановительная способность элементов в этом ряду уменьшается слева направо, в этом же направлении увеличивается окислительная способность соответствующих катионов.

Электролиз водного раствора соли.
(Алгоритм 32.)

Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов.

Задание 2. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди(II) с использованием инертных электродов.

Электролиз водного раствора щелочи.
(Алгоритм 33.)

Задание 1. Составьте схему электролиза водного раствора гидроксида натрия.

Задания для самоконтроля

1. Составьте схемы электролиза:

а) расплавов хлорида кальция, гидроксида калия, сульфата лития;
б) водных растворов хлорида магния, сульфата калия, нитрата ртути(II).

2. Какие реакции практически осуществимы:

а) Cu + HCl ... ;
б) Mg + H₂SO₄ (разб.) ... ;
в) Zn + Pb(NO₃)₂ ... ;
г) Cu + ZnCl₂ ... ;
д) Ca + H₂O ... ;
е) Fe + Cl₂ ... ?

3. На стальной крышке поставлена медная заклепка. Что раньше разрушится – крышка или заклепка? Почему?

4. Имеется изделие из железа, покрытое защитной пленкой из олова (луженое железо). Что будет происходить при нагревании такого изделия на воздухе? Напишите уравнения протекающих реакций.

5. Какой объем водорода (н. у.) выделится при погружении в воду 20 г изделия из сплава натрия, калия и меди в массовом отношении 1:1:2?

Ответ. 3,86 л.

6. Рассчитайте массу 9,8%-го раствора серной кислоты, которая потребуется для растворения четырех гранул цинка, если масса каждой гранулы 0,2 г.

Ответ. 12,3 г.

7. Рассчитайте, какой будет массовая доля гидроксида калия в растворе, если металлический калий массой 3,9 г растворить в воде объемом 80 мл.

Ответ. 6,68%.

8. При электролизе сульфата некоторого металла на аноде выделилось 176 мл кислорода (н. у.), а на катоде за то же время – 1 г металла. Сульфат какого металла был взят?

Ответ. CuSO₄.

9. Железная пластинка массой 18 г опущена в раствор сульфата меди(II). Когда она покрылась медью, ее масса стала равной 18,2 г. Какая масса железа перешла в раствор?

Ответ. 1,4 г.

10. Железная пластинка массой 5 г опущена на некоторое время в 50 мл 15%-го раствора сульфата меди(II), плотность которого 1,12 г/см³. После того как пластину вынули, ее масса оказалась равной 5,16 г. Какова масса сульфата меди(II) в оставшемся растворе?

Ответ. 5,2 г.

Ответы на задания для самоконтроля

6.1. Решение задач по теме «Подгруппа углерода»

7.2. Электролиз растворов