Сторінки 257–265

Розв’язання

1. Визначимо основні типи реакцій: сполучення, розкладу, заміщення, обміну (двоїсте замінювання).

2. Опишемо їх відмінність: у сполученні з'єднуються дві речовини в одну; при розкладу одна речовина розпадається на кілька; при заміщення атом одного елементу замінюється іншим; при обміні іони двох різнорідних сполук міняються місцями.

Розв’язання

1. Запропонуйте класифікацію за кількістю речовин (сполучення, розкладу, заміщення, обміну).

2. Додайте критерій зміни ступенів окиснення елементів (окисно-відновні та неокисно-відновні реакції).

3. Визначте, що всі реакції можна класифікувати за цими ознаками, оскільки кожен процес має певну кількість реагентів і продуктів, а також характер зміни електронів.

Розв’язання

1. Розглянемо визначення оборотної реакції: це процес, що відбувається одночасно в прямому ($A\to B$) та зворотному ($B\to A$) напрямках. Прикладом є розклад кальцій карбонату ${\text{CaCO}}_3\rightleftharpoons \text{CaO}+{\text{CO}}_2$.

2. Розглянемо визначення необоротної реакції: це процес, де реактанти повністю перетворюються на продукти, і зворотний шлях неможливий за даних умов (наприклад, нейтралізація $\text{NaOH}+\text{HCl}=\text{NaCl}+{\text{H}}_2\text{O}$).

3. Будь-яку хімічну реакцію можна віднести до однієї з цих двох груп, оскільки за будь-яких умов (температура, тиск, концентрація) система прагне до рівноваги або до повного перетворення. Немає реакцій, які б не підпадали під ці два типи.

Розв’язання

1. Природний приклад: Фотосинтез і дихання рослин є оборотними процесами. У фотосинтезі ${\text{CO}}_2$ і вода перетворюються на глюкозу, а під час дихання глюкоза розпадається на ${\text{CO}}_2$ і воду.

2. Побутовий приклад: Розчинення газів у воді (наприклад, вуглекислого газу в газованій воді) часто є оборотним процесом; при відкритті пляшки тиск падає, і газ виділяється з розчину.

3. Промисловий приклад: Сінтєз аміаку за процесом Габера (${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\rightleftharpoons 2{\text{NH}}_3$) є класичним прикладом оборотної реакції, де умови (температура, тиск) регулюють вихід продукту.

Розв’язання

1. Реакція А: Сірка ($S$) горить у кисні ($O_2$), утворюючи сірководень? Ні, зазвичай $S{O}_2$. Рівняння: $S+O_2=S{O}_2$. Елементи $S$ (0→+4) та $O$ (0→-2) змінюють ступені окиснення. За схемою $A+B\to C$ — реакція сполучення, окисно-відновна.

2. Реакція Б: Магній ($Mg$) горить у кисні ($O_2$). Рівняння: $2Mg+O_2=2MgO$. Елементи змінюють ступені окиснення. За схемою — сполучення, окисно-відновна.

3. Реакція В: Фосфор ($P$) горить у кисні ($O_2$). Рівняння (зазвичай $P_4+5O_2=P_4{O}_{10}$ або спрощено $4P+5O_2=2P_2{O}_5$). Елементи змінюють ступені окиснення. За схемою — сполучення, окисно-відновна.

4. Реакція Г: Натрій ($Na$) реагує з водою ($H_{2}O$), утворюючи гідроксид натрію та водень. Рівняння: $2Na+2H_{2}O=2NaOH+H_2$. Елементи $Na$ (0→+1) та $H$ (+1→0) змінюють ступені окиснення. За схемою — заміщення (просте замінює складне), окисно-відновна.

5. Реакція Д: Залізо ($Fe$) витісняє мідь з розчину купрум(II) сульфату ($CuS{O}_4$). Рівняння: $Fe+CuS{O}_4=FeS{O}_4+Cu$. Елементи $Fe$ (0→+2) та $Cu$ (+2→0) змінюють ступені окиснення. За схемою — заміщення, окисно-відновна.

6. Реакція Е: Гранули цинку реагують з хлоридною кислотою ($HCl$). Рівняння: $Zn+2HCl=ZnC{l}_2+H_2$. Елементи $Zn$ (0→+2) та $H$ (+1→0) змінюють ступені окиснення. За схемою — заміщення, окисно-відновна.

7. Реакція Ж: Дві частини схеми показують взаємодію водню ($H_2$) та кисню ($O_2$) з оксидом міді ($CuO$). Перша частина: $H_2+CuO=Cu+H_{2}O$ (заміщення, окисно-відновна). Друга частина: $Cu+O_2=CuO$ (сполучення, окисно-відновна).

Розв’язання

1. Запишемо рівняння фотосинтезу: $6C{O}_2+6H_{2}O\stackrel{\text{світло, хлорофіл}}{\to }{C}_6{H}_{12}{O}_6+6O_2$. Це процес, що відбувається в рослинах за наявності світла.

2. Запишемо рівняння дихання (окиснення глюкози): $C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\stackrel{\text{кількість ферментів}}{\to }6C{O}_2+6H_{2}O+Q$. Це процес виділення енергії, що відбувається в клітинах всіх живих організмів.

3. Порівнюємо умови: фотосинтез потребує світла та хлорофілу, а дихання — темряви (або просто відсутності світла як фактора) та ферментів. Хоча рівняння виглядають як зворотні процеси ($A\to B$ і $B\to A$), вони проходять за абсолютно різних умов і в різних місцях клітини, тому не є хімічною оборотною реакцією в класичному розумінні термодинаміки для однієї системи.

Розв’язання

1. Обираємо реакцію розкладу калій перманганату, яка потребує нагрівання (ендотермічна): $2{\text{KMnO}}_4\stackrel{t}{\to }{\text{K}}_2{\text{MnO}}_4+{\text{MnO}}_2+{\text{O}}_2\uparrow$.

2. Записуємо реакцію сполучення водню з киснем (газ + газ): $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2=2{\text{H}}_2\text{O}$.

3. Беремо розклад мідного(II) гідроксиду, де мідь змінює ступінь окиснення (хоча тут це не ОВР, краще взяти розклад нітрату міді або інший приклад ОВР-розкладу). Візьмемо розклад олов'яного(IV) хлориду: $2{\text{SnCl}}_4\stackrel{t}{\to }2\text{Sn}+2{\text{Cl}}_2$ (це рідше, краще класичний приклад). Давайте візьмемо розклад нітрату міді(II): $2{\text{Cu(NO}}_3{)}_2\stackrel{t}{\to }2\text{CuO}+4{\text{NO}}_2\uparrow +{\text{O}}_2\uparrow$ (ОВР, оскільки виділяється кисень).

4. Записуємо взаємодію негашеного вапна з водою (тверде + газова/рідка? Ні, вода рідина). Треба тверде + газ. Приклад: горіння вуглецю у повітрі ($\text{C}+{\text{O}}_2={\text{CO}}_2$) — це сполучення. Для екзотермічної між твердою та газуватою речовиною підійде взаємодія кальцію з киснем: $2\text{Ca}+{\text{O}}_2=2\text{CaO}$ (тверде + газ).

5. Записуємо реакцію заміщення між твердим металом і рідиною (кислота): $\text{Zn}+2\text{HCl}={\text{ZnCl}}_2+{\text{H}}_2\uparrow$.

Розв’язання

1. Взаємодія крейди з кислотою: ${\text{CaCO}}_3+2{\text{HNO}}_3={\text{Ca(NO}}_3{)}_2+{\text{H}}_2\text{O}+{\text{CO}}_2\uparrow$. Тут три речовини утворюються з двох, але це реакція обміну (схема $AB+CD\to AD+CB+E$), хоча за класичними схемами ($A+B\to C+D$) вона не вписується ідеально через утворення води та газу одночасно.

2. Горіння вуглецю: $\text{C}+{\text{O}}_2={\text{CO}}_2$ (сполучення, $A+B\to C$) або $2\text{C}+{\text{O}}_2=2\text{CO}$ (сполучення). У обох випадках схема сполучення.

3. Горіння метану: ${\text{CH}}_4+2{\text{O}}_2={\text{CO}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$. Тут дві речовини утворюються з двох, але це не реакція заміщення (не виходить просте тіло) і не класичний обмін (зміна ступенів окиснення). Це окисно-відновна реакція спалювання.

Розв’язання

1. а) Реакція сполучення для солі безоксигенової кислоти (наприклад, хлориду): $2\text{Na}+{\text{Cl}}_2=2\text{NaCl}$.

2. б) Реакція сполучення для солі оксигеновмісної кислоти (наприклад, сульфату): ${\text{SO}}_3+{\text{H}}_2\text{O}={\text{H}}_2{\text{SO}}_4$, потім ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4+2\text{NaOH}={\text{Na}}_2{\text{SO}}_4+2{\text{H}}_2\text{O}$ (або безпосередньо: ${\text{SO}}_3+2\text{NaOH}={\text{Na}}_2{\text{SO}}_4+{\text{H}}_2\text{O}$).

3. в) Реакція заміщення з кислотою (метал + кислота): $\text{Zn}+2\text{HCl}={\text{ZnCl}}_2+{\text{H}}_2\uparrow$.

4. г) Реакція заміщення із сіллю (метал + сіль): $\text{Fe}+{\text{CuSO}}_4={\text{FeSO}}_4+\text{Cu}$.

5. д) Реакція обміну з кислотним оксидом (кислота + основний оксид): ${\text{CO}}_2+2\text{NaOH}={\text{Na}}_2{\text{CO}}_3+{\text{H}}_2\text{O}$.

6. е) Реакція обміну з основним оксидом (основа + кислотний оксид): ${\text{Ca(OH)}}_2+{\text{SO}}_3={\text{CaSO}}_4+{\text{H}}_2\text{O}$.

7. ж) Реакція обміну з нерозчинною сіллю (кислота + сіль): $2\text{HCl}+{\text{CaCO}}_3={\text{CaCl}}_2+{\text{H}}_2\text{O}+{\text{CO}}_2\uparrow$.

8. и) Реакція обміну з нерозчинним гідроксидом (кислота + основа): $2{\text{HNO}}_3+{\text{Cu(OH)}}_2={\text{Cu(NO}}_3{)}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$.

9. к) Реакція обміну з розчинною сіллю (сіль + сіль): ${\text{Na}}_2{\text{SO}}_4+{\text{BaCl}}_2={\text{BaSO}}_4\downarrow +2\text{NaCl}$.

10. л) Реакція обміну з нерозчинною кислотою (основа + кислота): $2\text{KOH}+{\text{H}}_2{\text{SiO}}_3={\text{K}}_2{\text{SiO}}_3+2{\text{H}}_2\text{O}$.

Розв’язання

1. а) Взаємодія кислотного оксиду з водою (вода — оксид водню): ${\text{SO}}_3+{\text{H}}_2\text{O}={\text{H}}_2{\text{SO}}_4$. Якщо строго два оксиди без води: реакція між кислотним та основним оксидом дає сіль, а не кислоту. Можливо, автор мав на увазі ${\text{N}}_2{\text{O}}_5+{\text{H}}_2\text{O}=2{\text{HNO}}_3$. Припустимо, що «вода» врахована як оксид або додано окремим пунктом. Якщо строго два оксиди: ${\text{SO}}_3+{\text{Na}}_2\text{O}={\text{Na}}_2{\text{SO}}_4$ (сіль). Отже, для отримання саме кислоти з двох оксидів без води неможливо. Найімовірніше, мається на увазі реакція з водою: ${\text{CO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}={\text{H}}_2{\text{CO}}_3$.

2. б) Взаємодія кислоти й солі (реакція обміну, якщо утворюється слабша кислота): $\text{HCl}+{\text{NaHSO}}_4$ не дає нової кислоти в розчині. Краще: ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4(\text{конц})+2\text{NaCl}={\text{Na}}_2{\text{SO}}_4+2\text{HCl}\uparrow$ (отримання хлорної кислоти).

3. в) Взаємодія двох простих речовин: спалювання фосфору $\text{P}+{\text{O}}_2={\text{P}}_2{\text{O}}_5$, потім розчинення у воді ${\text{P}}_2{\text{O}}_5+3{\text{H}}_2\text{O}=2{\text{H}}_3{\text{PO}}_4$.

Розв’язання

1. а) Реакція сполучення (прості речовини): $\text{Pb}+\text{S}=\text{PbS}$.

2. б) Реакція заміщення (метал + складна речовина): $\text{Pb}+{\text{H}}_2\text{S}=\text{PbS}\downarrow +{\text{H}}_2$ (або взаємодія з оксидом, якщо є сульфідна кислота). Простіше: реакція свинцю з розчином сульфіду водню (газ) або іншим джерелом сульфід-іонів. Прийдемо до варіанту: $\text{Pb}+{\text{H}}_2\text{S}=\text{PbS}+{\text{H}}_2$.

3. в) Реакція обміну (сіль + сіль): ${\text{Pb(NO}}_3{)}_2+{\text{Na}}_2\text{S}=\text{PbS}\downarrow +2{\text{NaNO}}_3$.

Розв’язання

1. Реакція сполучення: взаємодія оксиду міді(II) з сірчаною кислотою ($CuO+H_{2}S{O}_4\to CuS{O}_4+H_{2}O$).

2. Реакція заміщення: взаємодія цинку (або магнію, заліза) з розчином купрум(II) сульфату ($Zn+CuS{O}_4\to ZnS{O}_4+Cu$).

3. Реакція обміну: взаємодія купрум(II) оксиду або гідроксиду з сірчаною кислотою, або реакція між двома солями (наприклад, $CuC{l}_2+H_{2}S\to CuS\downarrow +2HCl$ — тут утворюється нерозчинна сіль).