домашние эксперементы, страница 128 - гдз по химии 7 класс учебник Шиманович, Красицкий

Домашний эксперимент

Исследуйте возможность получения водорода в домашних условиях.

Возьмите два стакана (или блюдечка). В первый из них налейте немного столового уксуса, а во второй — столько же водного раствора лимонной кислоты. В растворы кислот опустите небольшие изделия из железа, например скобку от степлера, канцелярскую скрепку, кнопку или гвоздик.

Через некоторое время обратите внимание на признаки химических реакций. Опишите их. В растворе какой из использованных вами кислот водород выделяется активнее всего? Расскажите о результатах эксперимента на уроке.

Решение

Исследуйте возможность получения водорода в домашних условиях

Проведение данного эксперимента подтверждает, что получение водорода в домашних условиях возможно. В основе эксперимента лежит химическая реакция замещения между металлом (железом) и кислотой. Железо ($Fe$) в электрохимическом ряду активности металлов расположено до водорода, что позволяет ему вытеснять водород из растворов кислот. В эксперименте используются столовый уксус (водный раствор уксусной кислоты, $CH_3COOH$) и водный раствор лимонной кислоты ($C_6H_8O_7$). При погружении железных предметов в эти растворы начинается химическая реакция.

Суть реакции заключается в том, что атомы железа замещают атомы водорода в кислотной группе, в результате чего образуется соответствующая соль железа и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Ответ: Да, получить водород в домашних условиях возможно путем взаимодействия железа с доступными пищевыми кислотами, такими как уксусная и лимонная.

Опишите их [признаки химических реакций]

При проведении эксперимента можно наблюдать следующие признаки, свидетельствующие о протекании химической реакции:

1. Выделение газа. Это наиболее явный признак. На поверхности железного предмета (скрепки, гвоздя) появляются мелкие пузырьки, которые затем отрываются и поднимаются к поверхности жидкости. Этот газ является водородом. Интенсивность выделения газа зависит от активности реагентов.

2. Изменение цвета раствора. По мере протекания реакции раствор может приобрести едва заметный бледно-зеленый оттенок из-за образования растворимой соли — ацетата или цитрата железа(II), ионы которого ($Fe^{2+}$) в водном растворе имеют такую окраску.

3. Растворение металла. Если оставить предметы в кислоте на длительное время (несколько часов или дней), можно будет заметить, что они уменьшились в размере или стали тоньше, так как железо постепенно переходит в раствор.

Ответ: Основными признаками химической реакции являются выделение пузырьков газа (водорода) с поверхности железа, а также возможное слабое позеленение раствора и постепенное растворение металлического предмета.

В растворе какой из использованных вами кислот водород выделяется активнее всего?

Сравнивая скорость реакции в двух стаканах, можно однозначно заметить, что в растворе лимонной кислоты водород выделяется значительно активнее, чем в растворе уксусной кислоты (уксусе). Это проявляется в более интенсивном и обильном образовании пузырьков газа.

Причина этого кроется в разной силе кислот. Скорость реакции металла с кислотой напрямую зависит от концентрации ионов водорода ($H^+$) в растворе. Лимонная кислота ($C_6H_8O_7$) является более сильной кислотой, чем уксусная ($CH_3COOH$). Это подтверждается их константами диссоциации: для первой ступени диссоциации лимонной кислоты $K_{a1} \approx 7.4 \times 10^{-4}$, в то время как для уксусной кислоты $K_a \approx 1.8 \times 10^{-5}$. Более высокое значение константы диссоциации означает, что при равных молярных концентрациях лимонная кислота создает в растворе более высокую концентрацию ионов $H^+$.

Уравнения реакций, протекающих в эксперименте:

Взаимодействие железа с уксусной кислотой:

$Fe(тв) + 2CH_3COOH(р-р) \rightarrow (CH_3COO)_2Fe(р-р) + H_2(г)\uparrow$

Взаимодействие железа с лимонной кислотой:

$3Fe(тв) + 2C_6H_8O_7(р-р) \rightarrow Fe_3(C_6H_5O_7)_2(р-р) + 3H_2(г)\uparrow$

Дополнительным фактором, ускоряющим реакцию в лимонной кислоте, является способность цитрат-ионов образовывать устойчивые комплексные соединения с ионами железа, что смещает равновесие реакции в сторону продуктов.

Ответ: Водород выделяется активнее в растворе лимонной кислоты, потому что она является более сильной кислотой по сравнению с уксусной и создает в растворе более высокую концентрацию ионов водорода.