Практическая работа 4, страница 214 - гдз по химии 8 класс учебник Шиманович, Красицкий

Практическая работа 4. Решение экспериментальных задач

Цель работы: обобщить и закрепить знания о строении и свойствах веществ, научиться применять на практике знания о взаимных превращениях неорганических веществ.

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, растворы гидроксида натрия, серной кислоты, хлорида бария; соляная кислота, вода, оксид кремния(IV), хлорид натрия, железо, цинк, сера.

Соблюдайте правила безопасного поведения!

Выполнение работы

Задача 1. Рассмотрите образцы выданных вам веществ с различными типами химических связей: $H_2O$, $Zn$, $SiO_2$, $NaCl$, $Fe$, $S$, $N_2$, $O_2$ (в воздухе). Обратите внимание на агрегатное состояние веществ. Разделите образцы на группы:

а) образованные ионной связью;

б) образованные металлической связью;

в) образованные ковалентной связью (полярной и неполярной).

Объясните зависимость агрегатного состояния веществ от типа химической связи и кристалла.

Задача 2. Проведите химические реакции, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

а) железо $\rightarrow$ сульфат железа(II) $\rightarrow$ хлорид железа(II);

б) цинк $\rightarrow$ хлорид цинка $\rightarrow$ гидроксид цинка.

Укажите признаки химических реакций. Составьте уравнения реакций. В окислительно-восстановительных реакциях укажите окислитель и восстановитель, укажите число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе.

Задача 3. Накипь на дне и стенках чайника состоит в основном из карбонатов кальция и магния. Состав ржавчины, которая образуется на железе под воздействием веществ окружающей среды, условно выражается формулой $Fe(OH)_3$.

а) Какую химическую реакцию можно использовать для очистки чайника от накипи? Проведите реакцию, используя выданные реактивы. Укажите признаки химической реакции. Составьте уравнения реакций.

б) С помощью какой химической реакции возможно удаление ржавчины с железных изделий? Проведите реакцию, используя выданные реактивы. Укажите признаки химической реакции. Составьте уравнение реакции.

Проанализируйте результаты работы. Сделайте общий вывод.

Оформите отчет о проделанной работе.

Задача 1

Данные вещества можно разделить на группы по типу химической связи следующим образом, учитывая их строение и агрегатное состояние при нормальных условиях.

а) образованные ионной связью

К этой группе относится хлорид натрия ($NaCl$). Ионная связь возникает между атомами типичного металла (Натрий, $Na$) и типичного неметалла (Хлор, $Cl$) за счет электростатического притяжения между образовавшимися разноименно заряженными ионами ($Na^+$ и $Cl^-$). Вещества с ионной связью образуют ионные кристаллические решетки и при н.у. являются твердыми.

Ответ: $NaCl$ (хлорид натрия).

б) образованные металлической связью

К этой группе относятся металлы: цинк ($Zn$) и железо ($Fe$). Металлическая связь характерна для металлов и их сплавов. Она образуется за счет притяжения между положительно заряженными ионами металлов, расположенными в узлах кристаллической решетки, и обобществленными («свободными») электронами, движущимися по всему объему кристалла. Металлы (кроме ртути) при н.у. являются твердыми веществами.

Ответ: $Zn$ (цинк), $Fe$ (железо).

в) образованные ковалентной связью (полярной и неполярной)

Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов за счет образования общих электронных пар.
Ковалентная полярная связь: вода ($H_2O$), оксид кремния(IV) ($SiO_2$). Связь образуется между атомами разных неметаллов, имеющих разную электроотрицательность. В результате общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому, создавая диполь.
Ковалентная неполярная связь: сера ($S$), азот ($N_2$), кислород ($O_2$). Связь образуется между атомами одного и того же неметалла, которые имеют одинаковую электроотрицательность. Электронная пара не смещается.

Ответ: Вещества с ковалентной полярной связью: $H_2O$, $SiO_2$. Вещества с ковалентной неполярной связью: $S$, $N_2$, $O_2$.

Объяснение зависимости агрегатного состояния вещества от типа химической связи и кристалла.

Агрегатное состояние вещества при стандартных условиях напрямую зависит от типа его кристаллической решетки, который, в свою очередь, определяется типом химической связи.

1. Вещества с ионной связью (например, $NaCl$) образуют ионные кристаллические решетки. Силы электростатического притяжения между ионами очень велики, поэтому такие вещества являются твердыми, тугоплавкими и нелетучими. $NaCl$ — твердое вещество.

2. Вещества с металлической связью (например, $Fe$, $Zn$) образуют металлические кристаллические решетки. Связь между ионами-атомами и «электронным газом» прочная, что обуславливает твердое агрегатное состояние и высокие температуры плавления. $Fe$ и $Zn$ — твердые вещества.

3. Вещества с ковалентной связью могут образовывать решетки двух типов:
- Атомная кристаллическая решетка (например, $SiO_2$). В узлах решетки находятся атомы, связанные между собой очень прочными ковалентными связями. Такие вещества (алмаз, графит, кремний, оксид кремния) являются очень твердыми, тугоплавкими. $SiO_2$ (кварц) — твердое вещество.
- Молекулярная кристаллическая решетка (например, $H_2O$, $S_8$, $N_2$, $O_2$). В узлах решетки находятся молекулы. Внутри молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, но сами молекулы притягиваются друг к другу слабыми межмолекулярными силами (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи). Прочность этих сил определяет агрегатное состояние:
- $S_8$ (сера): молекулы достаточно крупные, межмолекулярные силы относительно сильны, поэтому сера — твердое вещество.
- $H_2O$ (вода): между молекулами существуют прочные водородные связи, поэтому при н.у. вода — жидкость.
- $N_2$ и $O_2$: молекулы маленькие и неполярные, межмолекулярные силы очень слабые. Поэтому при н.у. они являются газами.

Задача 2

а) железо → сульфат железа(II) → хлорид железа(II)

1. Получение сульфата железа(II) из железа. Для осуществления этого превращения необходимо провести реакцию металлического железа с раствором серной кислоты.
Уравнение реакции: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$
Признаки реакции: растворение серого твердого вещества (железа) и выделение пузырьков бесцветного газа без запаха (водорода).
Это окислительно-восстановительная реакция (ОВР):
$Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$ (железо является восстановителем)
$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ (ионы водорода в кислоте являются окислителем)
Число электронов, участвующих в процессе: 2.

2. Получение хлорида железа(II) из сульфата железа(II). К полученному раствору сульфата железа(II) необходимо добавить раствор хлорида бария. Произойдет реакция ионного обмена.
Уравнение реакции: $FeSO_4 + BaCl_2 \rightarrow FeCl_2 + BaSO_4\downarrow$
Признаки реакции: образование белого мелкокристаллического осадка сульфата бария, который не растворяется в кислотах.
Эта реакция не является окислительно-восстановительной, так как степени окисления элементов не изменяются.

Ответ: Цепочка превращений осуществляется с помощью реакций: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$ (признак: выделение газа); $FeSO_4 + BaCl_2 \rightarrow FeCl_2 + BaSO_4\downarrow$ (признак: выпадение белого осадка).

б) цинк → хлорид цинка → гидроксид цинка

1. Получение хлорида цинка из цинка. Для этого проведем реакцию металлического цинка с соляной кислотой.
Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
Признаки реакции: растворение твердого цинка и бурное выделение пузырьков газа (водорода).
Это окислительно-восстановительная реакция (ОВР):
$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$ (цинк является восстановителем)
$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0$ (ионы водорода являются окислителем)
Число электронов, участвующих в процессе: 2.

2. Получение гидроксида цинка из хлорида цинка. К полученному раствору хлорида цинка добавим по каплям раствор щелочи, например, гидроксида натрия.
Уравнение реакции: $ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl$
Признаки реакции: образование белого студенистого (аморфного) осадка гидроксида цинка.
Эта реакция не является окислительно-восстановительной.

Ответ: Цепочка превращений осуществляется с помощью реакций: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$ (признак: выделение газа); $ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl$ (признак: выпадение белого студенистого осадка).

Задача 3

а) Какую химическую реакцию можно использовать для очистки чайника от накипи? Проведите реакцию, используя выданные реактивы. Укажите признаки химической реакции. Составьте уравнения реакций.

Накипь состоит в основном из карбонатов кальция ($CaCO_3$) и магния ($MgCO_3$). Это соли, которые легко реагируют с сильными кислотами. Из предложенных реактивов для этой цели подходят серная и соляная кислоты. Предпочтительнее использовать соляную кислоту, так как образующийся хлорид кальция хорошо растворим в воде, в то время как сульфат кальция (продукт реакции с серной кислотой) малорастворим и может образовать новый налет.
Реакция с соляной кислотой:
Уравнение реакции: $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
Признаки реакции: "вскипание" за счет бурного выделения пузырьков углекислого газа, растворение твердой накипи.

Ответ: Для очистки чайника от накипи можно использовать реакцию карбонатов с сильной кислотой, например, соляной: $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$. Признак реакции — выделение газа.

б) С помощью какой химической реакции возможно удаление ржавчины с железных изделий? Проведите реакцию, используя выданные реактивы. Укажите признаки химической реакции. Составьте уравнение реакции.

Ржавчина имеет сложный состав, но в основном это гидратированный оксид железа(III), условная формула которого $Fe(OH)_3$. Гидроксид железа(III) проявляет основные свойства и реагирует с кислотами с образованием соли и воды. Для удаления ржавчины можно использовать соляную или серную кислоту.
Проведем реакцию с серной кислотой:
Уравнение реакции: $2Fe(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 6H_2O$
Признаки реакции: растворение твердого бурого налета ржавчины и образование раствора желто-коричневого цвета, характерного для солей железа(III).

Ответ: Для удаления ржавчины используется реакция ее основного компонента, гидроксида железа(III), с сильной кислотой, например, серной: $2Fe(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 6H_2O$. Признак реакции — растворение осадка.

Анализ результатов и общий вывод

В ходе выполнения практической работы были обобщены и закреплены знания о строении и свойствах неорганических веществ.
1. На примере первого задания была установлена четкая связь между типом химической связи, строением кристаллической решетки и физическими свойствами веществ, в частности, их агрегатным состоянием.
2. Второе задание позволило на практике осуществить генетические цепочки превращений, закрепив навыки проведения и описания реакций разных типов: окислительно-восстановительных и ионного обмена, а также идентификации продуктов по характерным признакам.
3. Третье задание продемонстрировало прикладной характер химических знаний, показав, как кислотно-основные взаимодействия могут быть использованы для решения практических бытовых задач, таких как удаление накипи и ржавчины.
Общий вывод: проделанная работа способствовала формированию умений применять теоретические знания о свойствах классов неорганических соединений для планирования и проведения химического эксперимента, а также для объяснения наблюдаемых явлений и их практического использования.