Глава III. Неметаллы и их соединения. § 12. Соединения галогенов — с. 71
§ 12. Примените свои знания.
4. Составьте схему образования химической связи для молекул галогеноводородов. Как меняется полярность связи и прочность молекулы галогеноводородов от HF к HI?
В молекулах HГ связь ковалентная полярная. Атом водорода (1 электрон) и атом галогена (7 внешних электронов, одного не хватает до октета) образуют одну общую электронную пару: H· + ·Г̈: → H:Г̈: (в структурной формуле H–Г). Общая пара смещена к более электроотрицательному атому галогена: H^δ+–Г^δ−.
От HF к HI электроотрицательность галогена уменьшается, поэтому смещение пары слабее и полярность связи уменьшается (самая полярная связь в HF). Радиус атома галогена растёт, длина связи увеличивается (92, 127, 141, 161 пм), перекрывание орбиталей слабее, прочность связи и молекулы уменьшается: HF — самая прочная, HI — наименее прочная и легче всего распадается на ионы в воде и на простые вещества при нагревании. Схема — на рисунке.
От HF к HI электроотрицательность галогена уменьшается, поэтому смещение пары слабее и полярность связи уменьшается (самая полярная связь в HF). Радиус атома галогена растёт, длина связи увеличивается (92, 127, 141, 161 пм), перекрывание орбиталей слабее, прочность связи и молекулы уменьшается: HF — самая прочная, HI — наименее прочная и легче всего распадается на ионы в воде и на простые вещества при нагревании. Схема — на рисунке.
§ 12. Примените свои знания.
5. Дайте сравнительную характеристику галогеноводородных кислот. Укажите черты сходства и различия. Сравнение химических свойств проиллюстрируйте уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.
Галогеноводородные кислоты — растворы HF, HCl, HBr, HI в воде: плавиковая, соляная, бромоводородная, иодоводородная.
Сходство: бесцветные растворы, кислотные свойства из-за диссоциации HГ = H⁺ + Г⁻; изменяют цвет индикаторов (лакмус и метилоранж — красные); все (кроме плавиковой) — сильные кислоты; реагируют с металлами до водорода в ряду напряжений, основными и амфотерными оксидами, основаниями, солями.
Различия: сила кислот растёт от HF к HI (HF — слабая кислота, HF ⇄ H⁺ + F⁻), так как растёт длина и уменьшается прочность связи H–Г; HI и HBr — восстановители (окисляются до I₂, Br₂), HCl восстановительные свойства проявляет слабее; плавиковая кислота растворяет SiO₂ (стекло): 4HF + SiO₂ = SiF₄ + 2H₂O; соли серебра, кроме AgF, нерастворимы.
Уравнения реакций (на примере HCl):
1) с металлом: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑; Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑
2) с основным оксидом: CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O; CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O
3) с амфотерным оксидом: Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂O
4) с основанием: NaOH + HCl = NaCl + H₂O; OH⁻ + H⁺ = H₂O
5) с амфотерным гидроксидом: Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + 3H⁺ = Al³⁺ + 3H₂O
6) с солью: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑; CaCO₃ + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑
7) качественная реакция: HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃; Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓
У плавиковой кислоты (слабой) в ионных уравнениях формулу HF записывают в молекулярном виде: NaOH + HF = NaF + H₂O; OH⁻ + HF = F⁻ + H₂O.
Сходство: бесцветные растворы, кислотные свойства из-за диссоциации HГ = H⁺ + Г⁻; изменяют цвет индикаторов (лакмус и метилоранж — красные); все (кроме плавиковой) — сильные кислоты; реагируют с металлами до водорода в ряду напряжений, основными и амфотерными оксидами, основаниями, солями.
Различия: сила кислот растёт от HF к HI (HF — слабая кислота, HF ⇄ H⁺ + F⁻), так как растёт длина и уменьшается прочность связи H–Г; HI и HBr — восстановители (окисляются до I₂, Br₂), HCl восстановительные свойства проявляет слабее; плавиковая кислота растворяет SiO₂ (стекло): 4HF + SiO₂ = SiF₄ + 2H₂O; соли серебра, кроме AgF, нерастворимы.
Уравнения реакций (на примере HCl):
1) с металлом: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑; Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑
2) с основным оксидом: CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O; CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O
3) с амфотерным оксидом: Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂O
4) с основанием: NaOH + HCl = NaCl + H₂O; OH⁻ + H⁺ = H₂O
5) с амфотерным гидроксидом: Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + 3H⁺ = Al³⁺ + 3H₂O
6) с солью: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑; CaCO₃ + 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑
7) качественная реакция: HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃; Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓
У плавиковой кислоты (слабой) в ионных уравнениях формулу HF записывают в молекулярном виде: NaOH + HF = NaF + H₂O; OH⁻ + HF = F⁻ + H₂O.
§ 12. Примените свои знания.
6. В четырёх пробирках без этикеток находятся растворы фторида, хлорида, бромида и иодида натрия. Как с помощью одного реактива распознать эти вещества?
Напишите уравнения соответствующих реакций.
Единственный реактив — раствор нитрата серебра AgNO₃. Прильём его в пробы всех четырёх растворов:
1) NaF — осадка нет (фторид серебра растворим): NaF + AgNO₃ = AgF + NaNO₃;
2) NaCl — белый творожистый осадок: NaCl + AgNO₃ = AgCl↓ + NaNO₃; Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓;
3) NaBr — светло-жёлтый осадок: NaBr + AgNO₃ = AgBr↓ + NaNO₃; Ag⁺ + Br⁻ = AgBr↓;
4) NaI — жёлтый осадок: NaI + AgNO₃ = AgI↓ + NaNO₃; Ag⁺ + I⁻ = AgI↓.
Пробирка, в которой осадок не образуется, содержит фторид натрия; остальные вещества определяют по цвету осадка.
1) NaF — осадка нет (фторид серебра растворим): NaF + AgNO₃ = AgF + NaNO₃;
2) NaCl — белый творожистый осадок: NaCl + AgNO₃ = AgCl↓ + NaNO₃; Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓;
3) NaBr — светло-жёлтый осадок: NaBr + AgNO₃ = AgBr↓ + NaNO₃; Ag⁺ + Br⁻ = AgBr↓;
4) NaI — жёлтый осадок: NaI + AgNO₃ = AgI↓ + NaNO₃; Ag⁺ + I⁻ = AgI↓.
Пробирка, в которой осадок не образуется, содержит фторид натрия; остальные вещества определяют по цвету осадка.
§ 12. Примените свои знания.
7. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим превращениям:
а) Fe₂(SO₄)₃ + KI → FeSO₄ + I₂ + K₂SO₄
б) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂
в) KBr + MnO₂ + H₂SO₄ → Br₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O
Укажите окислители и восстановители.
а) Fe₂(SO₄)₃ + KI → FeSO₄ + I₂ + K₂SO₄
б) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂
в) KBr + MnO₂ + H₂SO₄ → Br₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O
Укажите окислители и восстановители.
а) Fe₂(SO₄)₃ + 2KI = 2FeSO₄ + I₂ + K₂SO₄
2Fe⁺³ + 2ē → 2Fe⁺² | 1 (Fe⁺³ — окислитель, восстанавливается)
2I⁻ − 2ē → I₂⁰ | 1 (I⁻ — восстановитель, окисляется)
Окислитель — Fe₂(SO₄)₃ (за счёт Fe⁺³), восстановитель — KI (за счёт I⁻¹).
б) 2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂
Cl₂⁰ + 2ē → 2Cl⁻ | 1
2Br⁻ − 2ē → Br₂⁰ | 1
Окислитель — Cl₂, восстановитель — NaBr (за счёт Br⁻¹).
в) 2KBr + MnO₂ + 2H₂SO₄ = Br₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + 2H₂O
Mn⁺⁴ + 2ē → Mn⁺² | 1
2Br⁻ − 2ē → Br₂⁰ | 1
Окислитель — MnO₂ (за счёт Mn⁺⁴), восстановитель — KBr (за счёт Br⁻¹); H₂SO₄ создаёт кислую среду и образует соли.
Проверка баланса атомов: в (в) слева K 2, Br 2, Mn 1, S 2, H 4, O 10; справа K 2, Br 2, Mn 1, S 2, H 4, O 10.
2Fe⁺³ + 2ē → 2Fe⁺² | 1 (Fe⁺³ — окислитель, восстанавливается)
2I⁻ − 2ē → I₂⁰ | 1 (I⁻ — восстановитель, окисляется)
Окислитель — Fe₂(SO₄)₃ (за счёт Fe⁺³), восстановитель — KI (за счёт I⁻¹).
б) 2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂
Cl₂⁰ + 2ē → 2Cl⁻ | 1
2Br⁻ − 2ē → Br₂⁰ | 1
Окислитель — Cl₂, восстановитель — NaBr (за счёт Br⁻¹).
в) 2KBr + MnO₂ + 2H₂SO₄ = Br₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + 2H₂O
Mn⁺⁴ + 2ē → Mn⁺² | 1
2Br⁻ − 2ē → Br₂⁰ | 1
Окислитель — MnO₂ (за счёт Mn⁺⁴), восстановитель — KBr (за счёт Br⁻¹); H₂SO₄ создаёт кислую среду и образует соли.
Проверка баланса атомов: в (в) слева K 2, Br 2, Mn 1, S 2, H 4, O 10; справа K 2, Br 2, Mn 1, S 2, H 4, O 10.
§ 12. Примените свои знания.
8. При обработке 5,30 г смеси хлорида натрия и карбоната натрия избытком соляной кислоты выделилось 784 мл газа (н. у.). Рассчитайте массовые доли компонентов в смеси.
Дано: m(смеси NaCl + Na₂CO₃) = 5,30 г; V(газа) = 784 мл = 0,784 л (н. у.).
Найти: w(NaCl), w(Na₂CO₃).
Решение:
С соляной кислотой реагирует только карбонат натрия (NaCl с HCl не реагирует):
Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑
Газ — CO₂. n(CO₂) = V / Vm = 0,784 л / 22,4 л/моль = 0,035 моль.
По уравнению n(Na₂CO₃) = n(CO₂) = 0,035 моль.
M(Na₂CO₃) = 2·23 + 12 + 3·16 = 106 г/моль; m(Na₂CO₃) = 0,035 моль · 106 г/моль = 3,71 г.
w(Na₂CO₃) = 3,71 / 5,30 = 0,70, или 70 %.
m(NaCl) = 5,30 − 3,71 = 1,59 г; w(NaCl) = 1,59 / 5,30 = 0,30, или 30 %.
Ответ: w(Na₂CO₃) = 70 %, w(NaCl) = 30 %.
Найти: w(NaCl), w(Na₂CO₃).
Решение:
С соляной кислотой реагирует только карбонат натрия (NaCl с HCl не реагирует):
Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑
Газ — CO₂. n(CO₂) = V / Vm = 0,784 л / 22,4 л/моль = 0,035 моль.
По уравнению n(Na₂CO₃) = n(CO₂) = 0,035 моль.
M(Na₂CO₃) = 2·23 + 12 + 3·16 = 106 г/моль; m(Na₂CO₃) = 0,035 моль · 106 г/моль = 3,71 г.
w(Na₂CO₃) = 3,71 / 5,30 = 0,70, или 70 %.
m(NaCl) = 5,30 − 3,71 = 1,59 г; w(NaCl) = 1,59 / 5,30 = 0,30, или 30 %.
Ответ: w(Na₂CO₃) = 70 %, w(NaCl) = 30 %.
§ 12. Примените свои знания.
9. Молярная масса бромида одновалентного металла на 31 % больше, чем молярная масса хлорида этого металла. Что это за металл?
Дано: металл Me одновалентный; M(MeBr) = 1,31 · M(MeCl).
Найти: металл.
Решение:
Пусть Ar(Me) = x. M(MeBr) = x + 80, M(MeCl) = x + 35,5.
x + 80 = 1,31 · (x + 35,5)
x + 80 = 1,31x + 46,505
80 − 46,505 = 1,31x − x
33,495 = 0,31x
x = 108,05 ≈ 108.
Атомную массу 108 имеет серебро (Ag). Проверка: M(AgBr) = 188 г/моль, M(AgCl) = 143,5 г/моль; 188 / 143,5 = 1,31.
Ответ: металл — серебро Ag.
Найти: металл.
Решение:
Пусть Ar(Me) = x. M(MeBr) = x + 80, M(MeCl) = x + 35,5.
x + 80 = 1,31 · (x + 35,5)
x + 80 = 1,31x + 46,505
80 − 46,505 = 1,31x − x
33,495 = 0,31x
x = 108,05 ≈ 108.
Атомную массу 108 имеет серебро (Ag). Проверка: M(AgBr) = 188 г/моль, M(AgCl) = 143,5 г/моль; 188 / 143,5 = 1,31.
Ответ: металл — серебро Ag.
§ 12. Используйте дополнительную информацию.
10. Объём производства соляной кислоты в России составляет 1 млн т в год. Сравните эти данные с объёмом производства соляной кислоты в трёх-четырёх других странах. Результат представьте в виде диаграммы в координатах: объём производства (млн т) — страна.
Порядок работы:
1) найти в справочниках, энциклопедиях или статистических обзорах химической отрасли данные об объёме производства соляной кислоты (в пересчёте на 100 % HCl или на товарный продукт — одинаково для всех стран) в 3–4 странах;
2) выразить все значения в млн т в год;
3) построить диаграмму: по горизонтали (или вертикали) — страны, по другой оси — объём производства.
Образец диаграммы с ориентировочными значениями: Россия — 1 млн т, Япония — около 1,5, Германия — около 2, США — около 4, Китай — около 10 млн т.
Вывод: российское производство соляной кислоты в несколько раз меньше, чем у крупнейших производителей (Китая, США), и сопоставимо с производством в Японии и Германии; основные потребители кислоты — металлургия (травление металлов), производство хлоридов, пластмасс, красителей, лекарств.
Оговорка: значения для других стран приведены как ориентировочные, их нужно заменить данными из выбранных источников; точное совпадение со справочниками не гарантируется.
1) найти в справочниках, энциклопедиях или статистических обзорах химической отрасли данные об объёме производства соляной кислоты (в пересчёте на 100 % HCl или на товарный продукт — одинаково для всех стран) в 3–4 странах;
2) выразить все значения в млн т в год;
3) построить диаграмму: по горизонтали (или вертикали) — страны, по другой оси — объём производства.
Образец диаграммы с ориентировочными значениями: Россия — 1 млн т, Япония — около 1,5, Германия — около 2, США — около 4, Китай — около 10 млн т.
Вывод: российское производство соляной кислоты в несколько раз меньше, чем у крупнейших производителей (Китая, США), и сопоставимо с производством в Японии и Германии; основные потребители кислоты — металлургия (травление металлов), производство хлоридов, пластмасс, красителей, лекарств.
Оговорка: значения для других стран приведены как ориентировочные, их нужно заменить данными из выбранных источников; точное совпадение со справочниками не гарантируется.
§ 12. Используйте дополнительную информацию.
11. Подготовьте сообщение об областях применения одного из следующих веществ: а) хлорида калия; б) фторида натрия; в) бромида калия; г) хлорида кальция.
Образец сообщения о хлориде калия KCl (вариант а).
Хлорид калия — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде; встречается в природе в виде минералов сильвина KCl и сильвинита (KCl·NaCl). Основная область применения — сельское хозяйство: калий необходим растениям, поэтому KCl — самое массовое калийное удобрение (около 90 % добываемых калийных солей). Из хлорида калия получают другие соединения калия: гидроксид калия KOH электролизом раствора, поташ K₂CO₃, нитрат калия KNO₃. В пищевой промышленности KCl используют как заменитель поваренной соли в диетических продуктах (добавка Е508). В медицине растворы хлорида калия применяют при недостатке калия в организме и нарушениях сердечного ритма. Его используют также в буровых растворах нефтяной промышленности и в составе реагентов для антигололёдных смесей.
Кратко для других вариантов: б) NaF — профилактика кариеса (добавка во фторированные зубные пасты), консервирование древесины, флюс при пайке и литье, получение стекла и эмалей; в) KBr — лекарственный успокоительный препарат (бромид), в фотографии как компонент проявителей и фотоэмульсий; г) CaCl₂ — осушитель газов и жидкостей, антигололёдный реагент, добавка в бетон для ускорения схватывания, пищевая добавка Е509, в медицине — препарат кальция.
Хлорид калия — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде; встречается в природе в виде минералов сильвина KCl и сильвинита (KCl·NaCl). Основная область применения — сельское хозяйство: калий необходим растениям, поэтому KCl — самое массовое калийное удобрение (около 90 % добываемых калийных солей). Из хлорида калия получают другие соединения калия: гидроксид калия KOH электролизом раствора, поташ K₂CO₃, нитрат калия KNO₃. В пищевой промышленности KCl используют как заменитель поваренной соли в диетических продуктах (добавка Е508). В медицине растворы хлорида калия применяют при недостатке калия в организме и нарушениях сердечного ритма. Его используют также в буровых растворах нефтяной промышленности и в составе реагентов для антигололёдных смесей.
Кратко для других вариантов: б) NaF — профилактика кариеса (добавка во фторированные зубные пасты), консервирование древесины, флюс при пайке и литье, получение стекла и эмалей; в) KBr — лекарственный успокоительный препарат (бромид), в фотографии как компонент проявителей и фотоэмульсий; г) CaCl₂ — осушитель газов и жидкостей, антигололёдный реагент, добавка в бетон для ускорения схватывания, пищевая добавка Е509, в медицине — препарат кальция.
§ 12. Используйте дополнительную информацию.
12. Объясните, почему аммиак используют в промышленных холодильных установках.
Аммиак NH₃ легко сжижается при комнатной температуре при небольшом повышении давления (около 0,7–0,8 МПа), а при снижении давления жидкий аммиак быстро испаряется. Испарение происходит с поглощением большого количества теплоты (молярная теплота испарения аммиака велика, около 23 кДж/моль), поэтому окружающая среда (рассол, воздух) охлаждается. В холодильной установке газообразный аммиак сжимают и охлаждают, он конденсируется в жидкость, затем жидкость испаряется в испарителе, отнимая тепло, и цикл повторяется. Аммиак дёшев, термически устойчив, не разрушает озоновый слой (в отличие от фреонов), поэтому его применяют на промышленных холодильниках, катках и складах; ограничивает применение токсичность и взрывоопасность смесей с воздухом, так что установки делают герметичными.