Задачи с виртуальным экспериментом

Задачи с виртуальным экспериментом

Задача 1 Метаморфоза

Студенту поручили изучить свойства дисерной кислоты. Он взял банку с надписью «H₂S₂0₇», извлек фарфоровым шпателем несколько бесцветных прозрачных кристаллов (на воздухе они сразу задымили) и растворил их в воде. Потом он внес немного раствора в пробирку и добавил индикатор метилоранж; жидкость приобрела красный цвет. Но ни одна из характерных аналитических реакций на анион S₂0₇ ^2- не дала положительного результата. Какая же кислота была в растворе и почему кристаллы H₂S₂0₇ дымили на воздухе?

Ответ. Дисерная кислота при растворении в воде превращается в сер­ную кислоту, а серная кислота подвергается необратимому протолизу:

H₂S₂О₇ + Н₂0 = 2H₂SО₄; H₂SО₄ + 2Н₂О= SO₄^2- + 2Н₃О⁺

Кристаллы H₂S₂0₇ дымят на воздухе из-за выделения S0₃, который образует с влагой воздуха мельчайшие капельки серной кислоты:

H₂S₂О₇ = H₂SО₄ + SO₃; SО₃ + Н₂О= H₂SO₄

Задача 2 Парадоксы взаимодействия

Чешский химик И. Друце в 1926 г. обнаружил, что в минерале пиролюзите содержится элемент рений. Друце показывал своим коллегам два опыта. Сначала он бросал по щепотке порошка металлический рения в два стакана, один из которых был наполнен разбавленной серной кислотой, а второй — концентрированным раствором пероксида водорода. Затем он быстро прятал стаканы под черным колпаком и спрашивал: « В каком стакане идет реакция?» После этого Друце брал растворы тех же реагентов и бросал в них по щепотке порошка металлического мар­ганца, покрывал стаканы колпаком и снова спрашивал, где пойдет ре­акция. В самом деле, где происходят реакции?

Ответ. Рений в обычных условиях не взаимодействует с серной кис­лотой, а марганец не реагирует с пероксидом водорода. Зато рений ре­агирует с пероксидом водорода, превращаясь в рениевую кислоту, а марганец химически растворяется в разбавленной серной кислоте, пере­ходя в катион марганца(П) и восстанавливая водород:

2Re + 7Н₂О₂ = 2HReО₄ + 6Н₂О; Mn + H₂S0₄ = MnSО₄ + Н₂

Задача 3 Кислотоупорный трубопровод

На заводе долгое время перекачивали серную кислоту из хранилища в цех по свинцовому трубопроводу. Но однажды трубы дали течь, и цех был залит кислотой. Выяснение обстоятельств аварии показало, что, на­рушая правила технологии, трубопровод целый год использовали для транспортировки кислоты, имеющей не 40% -ную, а 85% -ную концент­рацию. Почему изменение концентрации кислоты вызвало коррозию трубопровода?

Ответ. В разбавленной серной кислоте свинец, окисляясь с поверхности, покрывается защитной пленкой малорастворимого сульфата свинпа (II)

РЬ + H₂SО₄ = PbSО₄ + Н₂

С разбавленной серной кислотой PbS0₄ не реагирует, а с концентрированной образует растворимый гидросульфат свинца(П):

PbSО₄ + H₂S0₄ = Pb(HSО₄)₂

Металл, лишенный защиты, реагирует с концентрированной кислотой:

РЬ + 3H₂SО₄ = Pb(HSО₄)₂ + SО₂ + 2Н₂О

Задача 4 Какой газ?

В концентрированную серную кислоту при обычной температуре бросили щепотку железных стружек, тщательно очищенных от ржавчины. Никакой реакции! Нагрели колбу с кислотой и стружками обнаружили, что выделяется негорючий газ с неприятным резким запахом. Пропустили этот газ в воду, добавив к ней несколько капель индикатора метилоранжа. Раствор окрасился в красный цвет. Другую порцию серной кислоты разбавили водой и также бросили в нее железные стружки. Началось выделение газа без цвета и запаха. Этот газ вспыхнул от горящей спички. Объясните эти явления.

Ответ. В холодной концентрированной серной кислоте железо пасси­вируется и не реагирует. При нагревании идет реакция:

2Fe + 6H₂S0₄ = Fe₂(S0₄)₃ + 3S0₂ + 6H₂0

Диоксид серы S0₂, растворяясь в воде, превращается в полигидрат диоксида серы S0₂ • п Н₂0, который ведет себя как кислота, создает кис­лую среду и меняет окраску индикатора:

S0₂ • п H₂0 + Н₂0 HSO₃ ^- + Н₃0+ + (п - 1)Н₂0

В разбавленной серной кислоте идет химическое растворение желе­за с выделением водорода:

Fe + H₂S0₄ = FeS0₄ + Н₂

Задача 5 Не так-то просто!

Желая получить как можно более концентрированную серную кислоту, студент стал добавлять к ней порциями твердый триоксид серы и обнаружил, что с каждой порцией S0₃ смесь становилась все более вязкой, а потом даже задымилась. Интересно, получилась ли в итоге концентрированная серная кислота?

Ответ. Вначале была получена 100%-ная серная кислота, затем дисерная, трисерная и другие полисерные кислоты, смесь которых — так называемый «олеум»:

SО₃ + Н₂О= H₂SO₄

SО₃ + H₂SO₄ = H₂S₂O₇

SО₃ + H₂S₂O₇= H₂S₃O₁₀

Известен с глубокой древности

Со времен Гомера известен этот оксид — бесцветный газ с резким запахом. Одиссей, хитроумный герой Троянской войны, окуривал им помещение, в котором сражался, и в конце концов победил женихов Пенелопы, Плиний Старший, римский историк (23—79 гг. н. э.), тоже упоминал в своих сочинениях о газообразном оксиде, который уничтожает инфекцию вредных насекомых. Тот же оксид стал причиной смерти Плиния во время извержения Везувия в 79 г. н. э. В наши дни это соединение выбрасывается в атмосферу с дымом тепловых электростанций и металлургических заводов и является причиной «кислотных дождей». Когда «газ Одиссея» смешивают с влажным сероводородом, выделяется сера, а пероксид водорода в водном растворе превращает его в сильную кислоту. Что это за газ?

Ответ. Это диоксид серы S0₂, который получается при сжигании серы на воздухе и выделяется в атмосферу при вулканических извержениях:

S + 0₂ = SO₂

При взаимодействии с водой он образует полигидрат состава S0₂ • nH₂0 ( n = 1 ÷7), обладающий свойствами кислоты средней силы. Диоксид серы вступает в окислительно-восстановительную реакцию конмутации с сероводородом и окисляется под действием пероксида во­дорода до серной кислоты: S0₂ + 2H₂S = 3S+ 2Н₂О

SО₂ + H₂O₂ = H₂SO₄

Белый дым

Если нагреть дисульфат калия, получится белый «дым», жадно поглощаемый водным раствором гидроксида калия. При этом получается сульфат калия. Если «дым» охладить, появляются бесцветные волокнистые кристаллы, которые весьма опасны. Достаточно нескольким каплям воды попасть на них, как происходит взрыв. Дерево или ткань при контакте с этими кристаллами немедленно обугливаются. Какова формула «дыма» и кристаллов?

Ответ. Дисульфат калия при нагревании выделяет триоксид серы S0₃, который взаимодействует с влагой воздуха, превращаясь в мель­чайшие капельки серной кислоты, образующие туман («белый дым»):

К₂S₂О₇ = К₂S0₄ + SО₃

Н₂О + SO₃ = Н₂S0₄

Триоксид серы — кислотный оксид; он реагирует с гидроксидом калия: 2КОН + SO₃ = К₂S0₄ + Н₂О

Голубое холодное пламя

В 1796 г. немецкий химик и металлург Вильгельм Лампадиус изучал свойства серы. В одном из опытов он пропускал через слой раскаленного древесного угля, а потом — через холодильник. Он получил бесцветную жидкость с «эфирным» запахом, которая вела себя необычно: она не растворялась в воде, а нагретая стеклянная палочка вызывала её воспламенение. Горела жидкость голубоватым пламенем. Когда Лампадиус неосторожно внес в пламя руку, он не почувствовал тепла, а лист бумаги в пламенине загорался. Что это за странная жидкость?

Ответ. Лампадиус впервые получил дисульфид углеродапо реакции: С + 2S = CS₂ , который горит холодным голубоватым пламенем:

CS₂ + 3О₂ = CО₂ + 2SО₂

Медные фокусы

В 1928 г. чешский химик И. Друце обнаружил, что, стружки залить концентрированной серной кислотой и нагреть до 200⁰ С получается раствор зеленого цвета. При смешивании этого раствора с с безводным метанолом (метиловым спиртом) выпадает белый осадок. Друце попытался растворить этот осадок в воде и получил раствор голубого цвета, а на дне сосуда оказались крупинки металлической меди. Какое вещество получил Друце?

Ответ. Друце получил сульфат меди (I) Сu₂SO₄ :

2Сu + 2Н₂SO₄= Сu₂SO₄+ SO₂+ 2Н₂О, который в водной среде подвергается дисмутации: Сu₂SO₄= СuSO₄+ Сu

Отважный реагент

Студент неосмотрительно оставил на столе в фарфоровой чашке кусочек белого фосфора. Фосфор в скором времени вспыхнул, выделяя густые клубы дыма. Недолго думая, студент схватил первую попавшуюся колбу с голубым раствором и надписью «Отходы» и вылил ее содержимое на горящий фосфор. Пламя исчезло. Что это были за отходы, никто не знал. Однако студент отметил, что на кусочках фосфора, залитого «отходами», появился красно-коричневый налет. А добавление к остатку «отходов» сульфида натрия вызвало появление черного осадка. Помогите установить состав голубого раствора.

Ответ. В колбе находится водный раствор сульфата меди(II), который обезвреживает белый фосфор (окисляет его до Н₃РО₄). При этом идет реакция: Р₄ + 10 СuSO₄ + 16Н₂О= 10Cu + 4 Н₃РО₄ + 10Н₂SО_{4 .}

Добавление сульфида натрия к раствору СuSO₄ ведет к выпадению черного осадка СuS: СuSO₄ + Na₂S= CuS + Na ₂SО₄

Подсказывает ряд напряжений

Во время очередного занятия преподаватель обратил внимание учащихся на плакат «Электрохимический ряд напряжений» и подчеркнул два металла — кадмий (левее водорода) и ртуть (правее водорода). Он предложил провести опыты с этими металлами: сначала подействовать на них разбавленной серной кислотой, потом в раствор сульфата кадмия внести капельку ртути, а в раствор сульфата ртути — гранулу кадмия. Предскажите результаты этих опытов.

Ответ. Ртуть с разбавленной серной кислотой не взаимодействует, а кадмий участвует в реакции: Сd+ H₂SO₄ = СdSO₄ + H₂

В водном растворе СdSO₄ ртуть остается без изменений. В растворе НgSO₄ кадмий покрывается мельчайшими капельками ртути, образуя аиальгаму(сплав ртути и кадмия): НgSO₄ + Сd = СdSO₄ + Нg

Задание. При взаимодействии двух веществ образуется газ «А» с запахом, а при его нагревании с избытком кислорода образуется газ «Б» с раздражающим запахом. В результате взаимодействия «А» и «Б» в осадок выпадает вещество «С» желтого цвета, при нагревании которого с железом образуется соединение, вступающее в реакцию с HCl с образованием газа «А».

Каковы вещества «А», «Б» и «С»? Составить все необходимые уравнения реакций в тетрадях, Указать все окислители.

Ответ.

S + H₂ → H₂S↑ («А»)

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ ↑ + 2H₂O («Б»)

2H₂S + SO₂ → 3S + 2 H₂O («А» + «Б»)

S + Fe → FeS («С»)

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑ («А»).