Лабораторное и промышленное получение

НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Как получают в лаборатории: водород; кислород; азот; галогены; аммиак; оксид азота (I); оксид азота (II); оксид углерода (II); углекислый газ; сернистый газ; сероводород; фосфорную, фосфористую, йодоводородную, бромоводородную, хлороводородную, плавиковую кислоты; пероксид водорода?

Как получают в промышленности: соляную, серную, азотную, фосфорную кислоты; водород; кислород; азот; аммиак; углекислый газ; сернистый газ; кальцинированную и пищевую соду; пероксид водорода?

Гидролиз солей

Запишите уравнения реакций гидролиза для той соли, которая гидролизуется более сильно, и сделайте вывод, можно ли отличить раствор одной соли от раствора другой соли с помощью pH-метра или универсальной индикаторной бумаги: сульфат алюминия и сульфат магния; хлорид алюминия и хлорид индия; сульфат хрома (III) и сульфат хрома (II); сульфид натрия и теллурид натрия; карбонат натрия и силикат натрия; гипохлорит калия и хлорат калия; силикат натрия и фосфат натрия; карбонат аммония и карбонат калия; ацетат алюминия и хлорид алюминия; ацетат меди и ацетат натрия; хлорид сурьмы (III) и хлорид висмута (III); сульфат висмута (III) и сульфат таллия (III).

При разбавлении раствора хлорида висмута (III) дистиллированной водой выпадает белый осадок; исследование pH раствора показывает сильнокислую среду. При добавлении соляной кислоты осадок растворяется. Объясните наблюдаемые явления, записав необходимые уравнения реакций.

Осадок какого вещества образуется при взаимодействии водных растворов: сульфата хрома (III) и сульфида натрия; метаалюмината натрия и хлорида алюминия; сульфата алюминия и карбоната натрия? Запишите уравнения протекающих реакций.

Почему в результате взаимодействия метасиликата натрия и хлорида аммония в водном растворе не удаётся получить метасиликат аммония?

Реакции образования и разрушения комплексов

Объясните, почему плохо растворимые в воде хлорид серебра, гидроксид цинка, легко растворяется в избытке раствора гидроксида аммония;

Хлорид золота (III), хлорид меди (I), хлорид серебра – малорастворимые в воде соединения. Почему растворимость этих веществ увеличивается при добавлении концентрированной соляной кислоты?

Какие продукты образуются при взаимодействии: хлорида алюминия с избытком раствора гидроксида калия; гидроксида цинка с избытком раствора гидроксида натрия; хлорида платины (IV) с концентрированной соляной кислотой; иодида ртути (II) с избытком раствора иодида калия; цианида железа (II) с избытком раствора цианида калия; безводного сульфата меди (II) с водой; безводного хлорида хрома (III) с водой; бромида серебра с избытком раствора тиосульфата натрия; нитрита серебра с избытком раствора нитрита калия; хлорида серебра с избытком раствора цианида натрия; хлорида меди (I) с избытком раствора цианида калия, динитритоаргентата (I) калия с аммиаком; сульфата тетраамминцинка с цианидом калия, тетрагидроксоцинката калия с аммиаком, гексагидроксохромата (III) калия с избытком соляной кислоты, сульфата гексаакваникеля (II) с цианидом калия, тетрайодогидраргирата (II) натрия с цианидом натрия, хлорида тетраамминмеди (II) с сульфидом калия, сульфата гексаамминкобальта (II) с соляной кислотой, нитрата тетраамминкадмия с сульфатом меди. Назовите комплексные соединения, образующиеся в результате реакции.

Почему плавиковую кислоту нельзя хранить в стеклянной посуде? Запишите уравнение реакции (уравнения реакций).

Почему голубая окраска, характерная для гидратированных ионов меди (II), меняется на тёмно-синюю при добавлении к раствору сульфата тетрааквамеди (II) избытка раствора гидроксида аммония?

Почему при приливании раствора серной кислоты к раствору сульфата тетраамминникеля (II), окрашенному в синий цвет, окраска раствора после реакции становится зелёной?

К серо-зелёному осадку гидроксида хрома (III) добавили концентрированный раствор гидроксида калия. Что произойдёт?

При выполнении задания по прогнозированию продуктов химических реакций ответы необходимо обосновать, записав уравнения реакций. Уравнения реакций, протекающих без изменения степени окисления, необходимо записать в молекулярном и сокращённом ионно-молекулярном виде, уравнения окислительно-восстановительных реакций составить ионно-электронным методом.

Необходимо уметь прогнозировать направление окислительно-восстановитель­ных реакций, пользуясь таблицей электродных потенциалов, а также прогнозировать возможность протекания реакций ионного обмена и комплексообразования, используя значения констант диссоциации, произведения растворимости и констант нестойкости.

РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

ПО УРАВНЕНИЯМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

1) Раствор гидроксида натрия имеет pH=13,8. Рассчитайте, какой объём хлора необходимо пропустить через 10 литров этого раствора для получения гипохлорита натрия (предполагается, что хлор поглощается полностью), чтобы реакция прошла без избытка и недостатка. Какая масса гипохлорита натрия при этом образуется? Ответ: 70,7 л; 235,0 г.

2) В раствор гидроксида калия с pH=14,1 (объём раствора 5 литров) пропустили 40 литров хлора для получения хлората калия. Определите массу образовавшейся в растворе бертолетовой соли. Какой посторонний продукт также образуется в этой реакции? Какова его масса? Предполагается, что хлор поглотился полностью. Ответ: m(KClO₃)=72,9г; m(KCl)=221,7г.

3) В 800 мл воды растворили 6 л сернистого ангидрида. Определите процентную концентрацию образовавшейся в растворе сернистой кислоты и pH полученного раствора. Константы диссоциации сернистой кислоты К₁ = 1·10^–2, К₂ = 6·10^–8. Ответ: 2,69%; pH=1,275.

4) Для исследования растворимости сернистого ангидрида в воде небольшой объём воды поместили в атмосферу сернистого газа и наблюдали за изменением pH. Через некоторое время величина pH перестала изменяться и установилась равной около 0,8. Определите по результатам этого эксперимента, сколько литров сернистого газа (н.у.) поглощается 1 литром воды. Константы диссоциации сернистой кислоты К₁ = 1·10^–2, К₂ = 6·10^–8. Ответ: 59,8 л.

5) Рассчитайте, в каком объёме воды необходимо растворить 100 литров аммиака, чтобы pH образовавшегося раствора был равен 11,5? Чему равна процентная концентрация гидроксида аммония в этом растворе? Константа диссоциации К=1,8·10^–5. Ответ: 5) 7,99л; 1,94%.

6) В лабораторных условиях аммиак получают нагреванием солей аммония со щелочами. Определите, какой объём аммиака (н.у.) выделится (при 100% выходе реакции), если на 1 кг сульфата аммония подействовать раствором гидроксида натрия (объём раствора 1,5 л, плотность 1,4 г/мл, массовая доля 50%). Чему будет равен pH раствора, если весь выделившийся газ растворить в 2 л воды? Какова будет процентная концентрация гидроксида аммония в полученном растворе? Константа диссоциации гидроксида аммония К= 1,8·10^–5. Ответ: V(NH₃) = 339,4 л; pH = 12,067;  = 1,54·10^–3; (NH₄OH) = 23,5%.

7) Какую массу фосфорного ангидрида нужно растворить в 10 литрах воды, чтобы pH полученного раствора был равен 1,2. Чему будет равна процентная концентрация фосфорной кислоты в полученном растворе? Константы диссоциации фосфорной кислоты: К₁ = 7,5·10^–3 К₂ = 6,3·10^–8, К₃ = 1,3·10^–12. Изменением объёма раствора при растворении фосфорного ангидрида пренебречь. Ответ: 421,7г; 5,58 %.

8) Какой объём 10% раствора гидроксида натрия с плотностью раствора 1,1 г/мл необходимо добавить к 5 литрам раствора серной кислоты с pH=1,2, чтобы реакция прошла без избытка и недостатка. Какую массу глауберовой соли (Na₂SO₄ 10H₂O) можно будет выделить из раствора после реакции? Диссоциацию серной кислоты считать полной по обеим стадиям. Ответ: 114,7 мл; 50,8 г.

9) Осадок какого вещества образуется при взаимодействии солей ртути (II) со щелочами? Для проведения синтеза смешали 100 мл 0,1М раствора нитрата ртути (II) с 250 мл 0,05M раствора гидроксида бария. Определите массу осадка (при 100% выходе продукта реакции). Каковы будут концентрации ионов, оставшихся в растворе, и pH раствора после реакции? Растворимостью осадка в воде пренебречь. Ответ: m(HgO) = 2,17 г; [Ba²⁺] = 0,0357 моль/л; [NO₃^–] = 0,057 моль/л; [OH^–] = 0,0143 моль/л; pH = 12,155.

10) Смешали растворы: 150 мл 0,1 М сульфата лантана (III) и 250 мл 0,2 М карбоната натрия. Пренебрегая растворимостью карбоната лантана, рассчитайте массу выпавшего осадка и молярную концентрацию всех ионов, оставшихся в растворе после реакции. Ответ: m(La₂(CO₃)₃) = 6,87 г; [Na⁺] = 0,25 моль/л; [CO₃^2–] = 0,0125 моль/л; [SO₄^2–] = 0,1125 моль/л.

11) Смешали 100 мл раствора серной кислоты с pH = 0,85 и 50 мл 0,3М раствора хлорида бария. Пренебрегая растворимостью сульфата бария, рассчитайте массу образовавшегося осадка и молярную концентрацию ионов, оставшихся в растворе после реакции. Чему будет равен pH образовавшегося раствора? Ответ: m(BaSO₄) = 1,65 г; [Ba²⁺] = 0,053 моль/л; [H⁺] = 0,094 моль/л; [Cl^–] = 0,2 моль/л; pH = 1,03.

12) Смешали 200 мл раствора гидроксида бария с pH = 12,8 и 300 мл 0,1 М раствора сульфата калия. Пренебрегая растворимостью сульфата бария, рассчитайте массу образовавшегося осадка и молярную концентрацию ионов, оставшихся в растворе после реакции. Чему будет равен pH образовавшегося раствора? Ответ: m(BaSO₄) = 1,47 г; [SO₄^2–] = 0,047 моль/л; [K⁺] = 0,12 моль/л; [OH^–] = 0,025 моль/л; pH=12,4.

13) К 500 мл раствора хлороводородной кислоты с pH = 1,5 добавили 2 грамма кристаллической соды (Na₂CO₃ 10H₂O). Определите объём выделившегося газа и концентрации всех ионов в растворе после реакции. Чему будет равен pH раствора после реакции? Изменением объёма раствора вследствие добавления соды и выделения газа пренебречь. Ответ: V=156,6 мл; [Na⁺] = 0,028 моль/л; [H⁺] = 0,00365 моль/л; [Cl^–] = 0,032 моль/л; pH = = 2,44.

14) 0,47% раствор азотистой кислоты (плотность раствора 1 г/мл) оставили в атмосфере, содержащей избыток озона. Каким был pH раствора до начала реакции и после? Константа диссоциации азотистой кислоты К = 5·10^–4. Ответ: pH_до = 2,15; pH_после=1,00.

15) Раствор азотистой кислоты подвергли действию избытка озона. После окончания реакции оказалось, что pH раствора равен 1,2. Чему был равен pH раствора до начала реакции? Какой была процентная концентрация раствора азотистой кислоты? Плотности растворов - 1 г/мл . Константа диссоциации азотистой кислоты К = 5·10^–4. Ответ: pH = 2,27; 0,297%.

16) 63,5 г меди поместили в раствор азотной кислоты с pH = –0,6 (объём раствора 1,5 л плотность раствора 1,2 г/мл). Какой объём оксида азота (II) выделится? (Предполагается, что образуется только один продукт восстановления HNO₃, а не смесь продуктов). Ответ:V=14,9л.

17) Какой объём кислорода выделится при проведении электролиза водного раствора сульфата натрия с графитовыми электродами в течение 5 часов при силе тока 10 А? Ответ:V=10,45л.

18) Как изменится масса катода при электролизе водного раствора CuCl₂ в течение 30 минут при силе тока 5 А? Ответ: увеличится приблизительно на 3 г.

РАСЧЁТ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ, КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ И рН

В РАСТВОРАХ СИЛЬНЫХ И СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.

1) Определите pH и концентрации гидросульфид- и сульфид-ионов в 0,68 % растворе сероводородной кислоты (плотность раствора – 1 г/мл). Константы диссоциации сероводородной кислоты К₁ = 1·10^–7, К₂ = 2·10^–13. Ответ: [H⁺] = [HS^–] = 1,41·10^–4 моль/л; [S^2–] = = K₂ = 2·10^–13 моль/л;  = 7,05·10^–4.

2) Рассчитайте pH и концентрации дигидрофосфат-, гидрофосфат- и фосфат ионов в 0,98% растворе ( = 1 г/мл) фосфорной кислоты. Чему равна степень диссоциации электролита? К₁ = 7,5·10^–3; К₂ = 6,3·10^–8; К₃ = 1,3·10^–12. Ответ: [H⁺] = [H₂PO₄^–] = 0,0239 моль/л; [HPO₄^2–] = 6,3·10^–8 моль/л; [PO₄^3–] = 3,43·10^–18 моль/л; pH = 1,622;  = 0,239.

3) Рассчитайте процентную концентрацию фосфористой кислоты и молярные концентрации всех ионов, содержащихся в растворе фосфористой кислоты с pH = 1,45. Плотность раствора принять равной 1,1 г/мл. Чему равна степень диссоциации электролита? Константы диссоциации фосфористой кислоты К₁ = 1,6·10^–2; К₂ = 2·10^–7. Ответ: 0,85 %; [H⁺] = [H₂PO₃^–] = = 0,0355 моль/л; [HPO₃^2–] = K₂ = 2·10^–7 моль/л;  = 0,311.

4) Столовый укус представляет собой 7–10 % водный раствор уксусной кислоты. На некотором предприятии имеется раствор уксусной кислоты, который по санитарным нормам может использоваться в пищевой промышленности. Исследование pH этого раствора в лаборатории показало, что pH = 2,5. Приняв плотность раствора приблизительно равной 1 г/см³, оцените процентную концентрацию этого раствора и сделайте вывод, достаточна ли концентрация кислоты, чтобы этот раствор использовать в качестве столового уксуса. Ответ: 3,35%.

5) Рассчитайте pH раствора, полученного в результате смешивания растворов сильных кислот: 200 мл с pH = 2,5 и 200 мл с pH = 3,2. Ответ: pH = 2,72.

6) Рассчитайте pH раствора, полученного смешением растворов щелочей: 200 мл неизвестного раствора с pH = 12,6 и 100 мл 0,2 M раствора NaOH. Ответ: pH = 12,97.

7) Смешали 2 л 0,1 М раствора уксусной кислоты и 800 мл 0,05 М раствора этого вещества. Определите pH полученного раствора и степень диссоциации кислоты . Константа диссоциации уксусной кислоты К = 1,8·10^–5. Ответ: pH = 2,91;  = 0,0145.

8) Смешали 1л 0,1 М раствора гидроксида аммония и 100 мл 1 М раствора этого вещества. Определите pH полученного раствора и степень диссоциации электролита. Константа диссоциации гидроксида аммония К = 1,8·10^–5. Ответ: pH = 11,26;  = 0,00995.

9) Смешали 220 мл 1% раствора гидроксида кальция (плотность раствора – 1 г/мл) и 980 мл 0,01 М раствора гидроксида натрия. Определите pH полученного раствора и концентрации ионов натрия и кальция в нём. Ответ: pH = 12,76; [Ca²⁺] = 0,0247моль/л; [Na⁺] = = 0,0082 моль/л.

10) Смешали растворы: 150 мл 0,1 М раствора серной кислоты и 350 мл 2% раствора хлорной кислоты (плотность раствора – 1 г/мл). Рассчитайте pH полученного раствора и концентрации сульфат- и перхлорат-ионов в нём. pH = 0,70; [SO₄^2–] = 0,03 моль/л; [ClO₄^–] = = 0,139 моль/л.

11) Чему равны процентная концентрация раствора гидроксида аммония с pH = 11,7 (плотность раствора – 1 г/мл) и степень диссоциации электролита в этом растворе? Константа диссоциации гидроксида аммония К = 1,8·10^–5. Ответ:  = 4,9 %;  = 0,00358.

12) Для калибровки pH-метров (приборов для измерения pH) в качестве эталона иногда используют насыщенный водный раствор гидроксида кальция. Определите, какую величину pH должен зафиксировать исправный pH-метр в насыщенном растворе гидроксида кальция, если произведение растворимости гидроксида кальция равно 6·10^–6. Ответ: pH = 12,360.

13) В мерную колбу на 50 мл внесли 1 мл 36%-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,2 г/см³), 800 мг хлорида алюминия и 10 мл 0,5 М раствора хлорида цинка. Объём образовавшегося раствора довели водой до метки. Определите молярные концентрации ионов Al³⁺, Zn²⁺, Cl^– в полученном растворе и pH этого раствора. Ответ: pH = 0,626; [Al³⁺] = 0,1199 моль/л; [Zn²⁺] = 0,100 моль/л; [Cl^–] = 0,796 моль/л.

14) Для определения константы диссоциации уксусной кислоты измерили pH 3% раствора уксусной кислоты. Величина pH оказалась равной 2,5. Измерение плотности ареометром показало, что плотность исследуемого раствора приблизительно равна 1,0 г/мл. Определите по этим экспериментальным данным величину константы диссоциации К. Чему равна степень диссоциации электролита  в этом растворе? Должны измениться или нет значения К и , если для проведения исследования использовать раствор с другой концентрацией электролита? Ответ: К = 2,0·10^–5;  = 6,3·10^–3.

15) Определите процентную концентрацию раствора серной кислоты и молярную концентрацию сульфат ионов, если известно, что pH= –0,3, а плотность раствора – 1,05 г/мл? Ответ: [SO₄^2–] = 0,998 моль/л;  = 9,31%.

16) Будет ли выпадать осадок при смешивании 100 мл 0,0001 М раствора иодида кальция и 150 мл 0,0015 М раствора нитрата висмута? ПР иодида висмута (III) = 8,1·10^–19. Ответ: ПК = 4,608·10^–16 > ПР – осадок выпадает.

17) Будет ли выпадать осадок при смешивании одинаковых объёмов раствора нитрата кальция с концентрацией 1·10^–6 моль/л и раствора ортофосфата калия с концентрацией 1·10^–5 моль/л? ПР ортофосфата кальция = 2·10^–29. Ответ: ПК= 3,125·10^–30 < ПР – осадок не выпадает.

18) Рассчитайте растворимость сульфата серебра в воде. Ответ выразить в мг/100 мл. ПР сульфата серебра = 1,6·10^–5. Ответ: 495,3 мг/100 мл.

19) Рассчитайте растворимость бромата лантана (III) в воде. Ответ выразить в г/100 мл. ПР бромата лантана = 3·10^–3. Ответ: 5,37 г/100 мл.

20) Какую массу ортофосфата кальция можно растворить в 1 м³ воды? ПР ортофосфата кальция = 2,0·10^–29. Ответ: 221 мг.